Des physiciens de l’Université du Wisconsin-Madison ont mesuré pour la première fois directement le flux d’électrons de type fluide dans le graphène à une résolution nanométrique. Les résultats paraissent dans le journal Science aujourd’hui.
Le graphène, une feuille de carbone d’une épaisseur atomique disposée en nid d’abeille, est un conducteur électrique particulièrement pur, ce qui en fait un matériau idéal pour étudier le flux d’électrons avec une très faible résistance. Ici, les chercheurs ajoutent intentionnellement des impuretés à des distances connues et constatent que le flux d’électrons passe de gazeux à fluide à mesure que la température augmente.
« Tous les matériaux conducteurs contiennent des impuretés et des imperfections qui bloquent le flux d’électrons, ce qui provoque une résistance. Historiquement, les gens ont adopté une approche à faible résolution pour identifier l’origine de la résistance », explique Zach Krebs, étudiant diplômé en physique à UW-Madison et co- auteur principal de l’étude. « Dans cette étude, nous imaginons comment la charge circule autour d’une impureté et voyons réellement comment cette impureté bloque le courant et provoque une résistance, ce qui n’a jamais été fait auparavant pour distinguer le flux d’électrons de type gazeux et fluide. »
Les résultats ont des applications dans le développement de nouveaux matériaux à faible résistance, où le transport électrique serait plus efficace.
L’étude a utilisé une technique connue sous le nom de potentiométrie à effet tunnel (STP) et le matériau graphène 2D. Les chercheurs ont intentionnellement introduit des obstacles dans le graphène, espacés à des distances contrôlées, puis ont appliqué un courant à travers la feuille. À l’aide de STP, ils ont mesuré la tension avec une résolution nanométrique en tous les points du graphène, produisant une carte 2D du modèle de flux d’électrons (tension plus élevée = plus d’électrons). Quel que soit l’espacement des obstacles, la chute de tension à travers le canal était beaucoup plus faible à une température plus élevée (77 Kelvin) par rapport à une température plus basse (4 Kelvin), indiquant que plus d’électrons traversaient (résistance plus faible).
« Nous avons fait une analyse quantitative [of the voltage map] et a constaté qu’à la température la plus élevée, la résistance est beaucoup plus faible dans le canal. Les électrons circulaient plus librement et de manière fluide « , explique Krebs. « Le graphène est si propre que nous forçons les électrons à interagir les uns avec les autres avant qu’ils n’interagissent avec quoi que ce soit d’autre, et c’est crucial pour les amener à se comporter comme un fluide. »
L’analogie du rocher et du ruisseau
À des températures proches du zéro absolu, les électrons du graphène se comportent comme un gaz : ils diffusent dans toutes les directions et sont plus susceptibles de heurter des obstacles que d’interagir entre eux. La résistance est plus élevée et le flux d’électrons est relativement inefficace.
À des températures plus élevées (77 K ou moins 196 C), le comportement fluide du flux d’électrons signifie qu’ils interagissent davantage les uns avec les autres qu’ils ne heurtent des obstacles, s’écoulant comme de l’eau entre deux rochers au milieu d’un ruisseau. C’est comme si les électrons se communiquaient des informations sur l’obstacle et se détournaient autour des rochers. La résistance est plus faible et le flux d’électrons est plus efficace.
Wyatt Behn, ancien étudiant diplômé de l’UW-Madison, est le co-premier auteur de cette étude, menée dans le groupe du professeur de physique Victor Brar.
Plus d’information:
Zachary J. Krebs et al, Imagerie de la rupture de barrages électrostatiques dans le graphène pour les fluides balistiques et visqueux, Science (2023). DOI : 10.1126/science.abm6073