Ces dernières années, les physiciens ont découvert des matériaux capables de faire passer leur caractère électrique d’un métal à un isolant et même à un supraconducteur, un matériau dans un état sans frottement qui permet aux électrons de circuler sans résistance. Ces matériaux, qui comprennent le graphène « à angle magique » et d’autres matériaux bidimensionnels synthétisés, peuvent décaler les états électriques en fonction de la tension appliquée ou du courant d’électrons.
La physique sous-jacente à l’origine de ces matériaux commutables est un mystère, bien que les physiciens soupçonnent qu’elle a quelque chose à voir avec les «corrélations électroniques» ou les effets de l’interaction entre deux électrons chargés négativement. Pour la plupart des matériaux, ces répulsions de particules ont peu ou pas d’influence sur la conception des propriétés. Mais dans les matériaux bidimensionnels, ces interactions quantiques peuvent avoir une influence dominante. Comprendre comment les corrélations électroniques pilotent les états électriques peut aider les scientifiques à concevoir des matériaux fonctionnels exotiques tels que les supraconducteurs non conventionnels.
Aujourd’hui, les physiciens du MIT et d’ailleurs ont franchi une étape importante dans la compréhension des corrélations électroniques. Dans un journal paru aujourd’hui en la science, les chercheurs montrent des preuves directes de corrélations électroniques dans un matériau bidimensionnel appelé graphène tricouche ABC. Il a déjà été démontré que ce matériau passe d’un métal à un isolant à un supraconducteur.
Pour la première fois, les chercheurs ont pu démontrer directement des corrélations électroniques dans un état isolant spécial du matériau. Ils ont également quantifié les échelles d’énergie de ces corrélations, ou la force des interactions entre les électrons. Les résultats indiquent que le graphène tricouche ABC peut être une plate-forme idéale pour explorer et potentiellement construire d’autres corrélations d’électrons, telles que B. ceux qui pilotent la supraconductivité.
« Une meilleure compréhension de la physique sous-jacente de la supraconductivité nous permettra de concevoir des dispositifs qui pourraient transformer notre monde, du transfert d’énergie sans perte aux trains maglev », déclare l’auteur principal Long Ju, professeur adjoint de physique au MIT. « Ce matériau est désormais un terrain de jeu très riche pour explorer les corrélations électroniques et construire des phénomènes et des dispositifs encore plus robustes. »
super-réseau
Un graphène ABC à trois couches empilé sur une couche de nitrure de bore hexagonal est similaire au graphène à angle magique à deux couches mieux étudié en ce que les deux matériaux contiennent des couches de graphène – un matériau qui se produit naturellement dans le graphite et peut présenter des performances exceptionnelles. propriétés si elle est isolée sous sa forme pure. Le graphène est constitué d’un réseau d’atomes de carbone disposés selon un motif hexagonal, un peu comme du grillage à poule. Le nitrure de bore hexagonal ou hBN a un motif hexagonal similaire, légèrement plus grand.
Dans les graphiques à trois couches ABC, trois feuilles de graphène sont empilées au même angle et légèrement décalées les unes des autres, comme des tranches de fromage en couches. Lorsque le graphène tricouche ABC repose sur le hBN à un angle de torsion de zéro degré, la structure résultante est un motif moiré, ou « super-réseau », composé de sources d’énergie périodiques dont la configuration détermine la façon dont les électrons traversent le matériau.
« Cette structure de réseau force les électrons à se localiser et crée les conditions pour que les corrélations électroniques aient un impact majeur sur les propriétés macroscopiques du matériau », explique Ju.
Lui et ses collègues ont tenté de sonder les graphiques à trois couches ABC pour trouver des preuves directes des corrélations électroniques et pour mesurer leur force. Ils ont d’abord synthétisé un échantillon du matériau et créé un super-réseau avec des puits d’énergie, chacun pouvant normalement contenir deux électrons. Ils ont appliqué juste assez de tension pour remplir chaque indentation de la grille.
boost d’électrons
Ils ont ensuite cherché des signes que le matériau était dans un état idéal où les corrélations électroniques pourraient dominer et affecter les propriétés du matériau. Ils ont spécifiquement recherché des signes d’une structure « à bande plate » dans laquelle tous les électrons ont presque la même énergie. L’équipe a fait valoir qu’un environnement hébergeant des électrons avec une large gamme d’énergies serait trop bruyant pour que la petite énergie des corrélations d’électrons ait un effet. Un environnement plus plat et plus calme permettrait à ces effets de se manifester.
L’équipe a utilisé une technique optique unique qu’elle a développée pour confirmer que le matériau est bien une bande plate. Ensuite, ils ont légèrement abaissé la tension afin qu’un seul électron occupe chaque cavité du réseau. Dans cet état « à moitié rempli », le matériau est considéré comme un isolant de Mott – un état électrique étrange qui devrait être capable de conduire l’électricité comme le métal, mais au lieu de cela, le matériau se comporte comme un isolant en raison des corrélations électroniques.
Ju et ses collègues voulaient voir s’ils pouvaient détecter l’effet de ces corrélations d’électrons dans un état à moitié rempli et isolé de Mott. Ils ont étudié ce qui se passerait s’ils perturbaient l’état en déplaçant des électrons. Si les corrélations électroniques ont un effet, de telles perturbations de configuration électronique rencontreraient une résistance puisque les électrons se repoussent naturellement. Par exemple, un électron essayant de se déplacer vers un puits adjacent serait repoussé par l’électron occupant déjà ce puits, même si ce puits pourrait techniquement accueillir un électron supplémentaire.
Surmonter cette résistance nécessiterait un regain d’énergie supplémentaire – juste assez pour surmonter la répulsion naturelle de l’électron. L’équipe a fait valoir que l’ampleur de cette augmentation serait une mesure directe de la force de la corrélation électronique.
Les chercheurs ont fourni le coup de pouce supplémentaire avec de la lumière. Ils ont projeté une lumière de différentes couleurs ou longueurs d’onde sur le matériau et ont recherché un pic ou une seule longueur d’onde spécifique absorbée par le matériau. Cette longueur d’onde correspondait à un photon avec juste assez d’énergie pour projeter un électron dans un puits adjacent à moitié rempli.
Dans leur expérience, l’équipe a en effet observé un pic – la première preuve directe de corrélations électroniques dans ce matériau de super-réseau Moiré spécifique. Ils ont ensuite mesuré ce pic pour quantifier l’énergie de corrélation, ou la force de la force répulsive de l’électron. Ils ont déterminé qu’il s’agissait d’environ 20 milliélectron-volts, soit 1/50e d’électron-volt.
Les résultats montrent que de fortes corrélations électroniques sous-tendent la physique de ce matériau 2D particulier. Selon Ju, l’état isolant de Mott est particulièrement important car c’est l’état initial de la supraconductivité non conventionnelle, dont la physique reste illusoire. Avec cette nouvelle étude, l’équipe a montré que le super-réseau ABC graphène/hBN Moiré à trois couches est une plate-forme idéale pour explorer et construire les états électriques les plus exotiques, y compris la supraconductivité non conventionnelle.
« Aujourd’hui, la supraconductivité ne se produit qu’à des températures très basses dans un environnement réaliste », note Ju, qui affirme que la technique optique de l’équipe peut être appliquée à d’autres matériaux 2D pour révéler des états exotiques similaires. « Si nous comprenons le mécanisme de la supraconductivité non conventionnelle, nous pourrons peut-être amplifier cet effet à des températures plus élevées. Ce matériau fournit une base pour comprendre et concevoir des conditions et des appareils électriques encore plus robustes.
Cette recherche a été financée en partie par la National Science Foundation, la Simons Foundation et le programme MIT Skoltech.