La façon dont les électrons circulent dans un matériau détermine ses propriétés électroniques. Par exemple, lorsqu’une tension est maintenue à travers un matériau conducteur, les électrons commencent à circuler, générant un courant électrique. On pense souvent que ces électrons circulent dans des trajectoires rectilignes, se déplaçant le long du champ électrique, un peu comme une balle dévalant une colline. Pourtant, ce ne sont pas les seules trajectoires que peuvent prendre les électrons : lorsqu’un champ magnétique est appliqué, les électrons ne parcourent plus des trajectoires rectilignes le long du champ électrique, mais en fait, ils se courbent. Les flux électroniques déviés conduisent à des signaux transversaux appelés réponses « Hall ».
Maintenant, est-il possible de courber des électrons sans appliquer de champ magnétique ? Dans une étude récemment publiée dans La science, une équipe internationale de chercheurs rapporte que la lumière polarisée circulaire peut induire des flux électroniques courbés dans le graphène bicouche. L’étude a été réalisée par une équipe comprenant les scientifiques de l’ICFO Jianbo Yin (actuellement chercheur à l’Institut du graphène de Pékin, Chine), David Barcons, Iacopo Torre, dirigé par le professeur ICREA de l’ICFO Frank Koppens, en collaboration avec Cheng Tan et James Hone de l’Université de Columbia, Kenji Watanabe et Takashi Taniguchi du NIMS Japon et le professeur Justin Song de l’Université technologique de Nanyang (NTU) à Singapour.
Jianbo Yin, premier auteur de l’étude, se souvient comment tout a commencé. « Cette étude collaborative a commencé en 2016 par une conversation entre Justin Song et Frank Koppens lors d’une conférence scientifique. » Comme l’explique Justin Song, « les électrons ne sont pas seulement des particules, mais peuvent avoir une nature semblable à une onde quantique ». Dans les matériaux quantiques, tels que le graphène bicouche, le modèle d’onde des électrons peut présenter un enroulement complexe souvent appelé géométrie quantique. « Frank et moi avons parlé de la possibilité d’exploiter la géométrie quantique dans le graphène bicouche pour plier le flux d’électrons avec de la lumière au lieu d’utiliser des champs magnétiques. »
Dans cette optique, Jianbo Yin, chercheur dans l’équipe de Frank Koppens, a décidé de relever le défi de réaliser expérimentalement ce phénomène inhabituel. « Notre appareil était très compliqué à construire. Il a fallu construire de nombreux appareils et se rendre à l’Université de Columbia pour travailler avec Cheng Tan et James Hone afin d’améliorer la qualité de l’appareil. »
Géométrie quantique et sélectivité des vallées
Dans le graphène bicouche, il existe deux poches de vallées d’électrons (K et K’) : lorsqu’un champ électrique perpendiculaire est appliqué, les propriétés géométriques quantiques des électrons dans ces deux vallées peuvent les faire plier dans des directions opposées. En conséquence, leurs effets Hall sont annulés.
Dans leur étude, l’équipe de scientifiques a découvert qu’en appliquant une lumière infrarouge polarisée circulaire sur le dispositif de graphène bicouche, ils étaient capables d’exciter sélectivement une population spécifique d’électrons dans la vallée dans le matériau, ce qui a généré une phototension perpendiculaire au flux d’électrons habituel. Comme le souligne Koppens, « Nous avons maintenant conçu l’appareil et l’installation de telle manière que le courant ne circule qu’avec un éclairage lumineux. Grâce à cela, nous avons pu éviter le bruit de fond qui entrave les mesures et obtenir une sensibilité de détection de plusieurs ordres de grandeur meilleure que tout autre matériau 2D. » Ce développement est important car les photodétecteurs conventionnels nécessitent souvent de fortes polarisations de tension qui peuvent conduire à des « courants d’obscurité » qui circulent même lorsqu’il n’y a pas de lumière.
Yin remarque que « nous pouvons contrôler la flexion des électrons avec le champ électrique hors plan que nous appliquons. Nous pouvons modifier l’angle de flexion de ces électrons, qui peut être quantifié par la conductivité de Hall. En contrôlant le bouton de tension, ‘ la courbure du Berry [one characteristic of quantum geometry]peut être réglé, ce qui peut conduire à une conductivité de Hall géante. »
Les résultats de l’étude ouvrent un nouveau domaine de nombreuses applications de détection et d’imagerie, conclut finalement Koppens. « Une telle découverte pourrait avoir des implications majeures dans les applications de détection infrarouge et térahertz, car le graphène bicouche peut être transformé de semi-métal en semi-conducteur avec une très petite bande interdite, de sorte qu’il peut détecter des photons de très petites énergies. Il peut également être utile, par exemple, pour l’imagerie dans l’espace, l’imagerie médicale, par exemple pour le cancer de la peau des tissus, ou encore pour des applications de sécurité telles que l’inspection de la qualité des matériaux. »
Les possibilités sont multiples et les prochaines étapes de la recherche axée sur de nouveaux matériaux 2D, tels que le graphène bicouche torsadé, un matériau moiré, pourraient trouver de nouvelles façons de contrôler les flux d’électrons et des propriétés optoélectroniques non conventionnelles.
Jianbo Yin et al, Effet Hall sélectif accordable et vallée géante dans le graphène bicouche espacé, La science (2022). DOI : 10.1126/science.abl4266. www.science.org/doi/10.1126/science.abl4266