Vous pensez tout savoir sur un matériau ? Essayez de lui donner une touche, littéralement. C’est l’idée principale d’un domaine émergent de la physique de la matière condensée appelé « twistronics », qui amène les chercheurs à modifier radicalement les propriétés des matériaux 2D, comme le graphène, avec des changements subtils – aussi petits que passer de 1,1° à 1,2° – dans l’angle entre les couches empilées.
Il a été démontré que les couches torsadées de graphène, par exemple, se comportent d’une manière que les feuilles simples n’ont pas, notamment en agissant comme des aimants, comme des supraconducteurs électriques, ou comme l’opposé d’un supraconducteur, des isolants, le tout en raison de petits changements dans l’angle de torsion entre les feuilles.
En théorie, vous pouvez composer n’importe quelle propriété en tournant un bouton qui modifie l’angle de torsion. La réalité, cependant, n’est pas si simple, dit le physicien de Columbia Cory Dean. Deux couches torsadées de graphène peuvent devenir comme un nouveau matériau, mais la raison exacte pour laquelle ces différentes propriétés se manifestent n’est pas bien comprise, et encore moins quelque chose qui peut encore être entièrement contrôlé.
Dean et son laboratoire ont mis au point une nouvelle technique de fabrication simple qui pourrait aider les physiciens à sonder les propriétés fondamentales des couches torsadées de graphène et d’autres matériaux 2D de manière plus systématique et reproductible. Écrire dans Scienceils utilisent de longs « rubans » de graphène, plutôt que des flocons carrés, pour créer des dispositifs qui offrent un nouveau niveau de prévisibilité et de contrôle à la fois de l’angle de torsion et de la contrainte.
Les dispositifs de graphène ont généralement été assemblés à partir de flocons de graphène de la taille d’un atome qui ne mesurent que quelques millimètres carrés. L’angle de torsion résultant entre les feuilles est fixé en place et les flocons peuvent être difficiles à superposer en douceur.
« Imaginez le graphène sous forme de morceaux de papier saran ; lorsque vous assemblez deux morceaux, vous obtenez des petites rides et des bulles aléatoires », explique le post-doctorant Bjarke Jessen, co-auteur de l’article. Ces bulles et rides s’apparentent à des changements dans l’angle de torsion entre les feuilles et à la contrainte physique qui se développe entre les deux et peut provoquer le flambage, la flexion et le pincement aléatoires du matériau. Toutes ces variations peuvent donner lieu à de nouveaux comportements, mais elles ont été difficiles à contrôler au sein et entre les appareils.
Les rubans peuvent aider à lisser les choses. Les nouvelles recherches du laboratoire montrent qu’avec une simple poussée de la pointe d’un microscope à force atomique, ils peuvent plier un ruban de graphène en un arc stable qui peut ensuite être placé à plat sur une deuxième couche de graphène non incurvée.
Le résultat est une variation continue de l’angle de torsion entre les deux feuilles qui s’étend de 0° à 5° sur toute la longueur de l’appareil, avec une tension uniformément répartie – plus de bulles ou de plis aléatoires à gérer. « Nous n’avons plus besoin de fabriquer 10 appareils distincts avec 10 angles différents pour voir ce qui se passe », a déclaré la postdoc et co-auteur Maëlle Kapfer. « Et, nous pouvons maintenant contrôler la tension, qui manquait complètement dans les appareils tordus antérieurs. »
L’équipe a utilisé des microscopes spéciaux à haute résolution pour confirmer l’uniformité de leurs appareils. Avec ces informations spatiales, ils ont développé un modèle mécanique qui prédit les angles de torsion et les valeurs de déformation simplement en fonction de la forme du ruban incurvé.
Ce premier article s’est concentré sur la caractérisation du comportement et des propriétés des rubans de graphène ainsi que d’autres matériaux qui peuvent être amincis en couches simples et empilés les uns sur les autres. « Cela a fonctionné avec tous les matériaux 2D que nous avons essayés jusqu’à présent », a noté Dean.
À partir de là, le laboratoire prévoit d’utiliser sa nouvelle technique pour explorer comment les propriétés fondamentales des matériaux quantiques changent en fonction de l’angle de torsion et de la déformation. Par exemple, des recherches antérieures ont montré que deux couches torsadées de graphène agissent comme un supraconducteur lorsque l’angle de torsion est de 1,1.
Cependant, il existe des modèles concurrents pour expliquer les origines de la supraconductivité à ce soi-disant « angle magique », ainsi que des prédictions d’angles magiques supplémentaires qui ont jusqu’à présent été trop difficiles à stabiliser, a déclaré Dean. Avec des appareils réalisés avec des rubans, qui contiennent tous les angles compris entre 0° et 5°, l’équipe peut explorer plus précisément les origines de ce phénomène, et d’autres.
« Ce que nous faisons est comme l’alchimie quantique : prendre un matériau et le transformer en autre chose. Nous avons maintenant une plate-forme pour explorer systématiquement comment cela se produit », a déclaré Jessen.
Plus d’information:
Maëlle Kapfer et al, Programmation d’angle de torsion et de profils de déformation dans des matériaux 2D, Science (2023). DOI : 10.1126/science.ade9995