Un ruban de graphène incurvé, illustré en gris, posé à plat contre une autre feuille de graphène. Il y a un changement continu dans l’angle de torsion entre le ruban du dessus et la feuille du dessous. À certains endroits, les réseaux atomiques des deux feuilles s’alignent à un angle de 0° l’un par rapport à l’autre, tandis qu’à d’autres, ils sont tordus l’un par rapport à l’autre jusqu’à 5°. Crédit : Cory Dean, Université de Columbia
Une nouvelle technique développée à Columbia propose une évaluation systématique de l’angle de torsion et de la déformation dans les matériaux 2D en couches.
Le domaine émergent de la twistronique révolutionne la compréhension des matériaux 2D comme graphène en modifiant leurs propriétés par des changements dans les angles de torsion. Une équipe à Université de Colombie a développé une nouvelle technique utilisant des rubans de graphène pour créer plus de contrôle sur ces angles, permettant une exploration plus précise des propriétés des couches torsadées et ouvrant potentiellement de nouvelles applications dans la physique de la matière condensée.
Twistronics
Vous pensez tout savoir sur un matériau ? Essayez de lui donner une tournure, littéralement. C’est l’idée principale d’un domaine émergent de la physique de la matière condensée appelé « twistronique ». Ce domaine amène les chercheurs à modifier radicalement les propriétés des matériaux 2D, comme le graphène, avec des changements subtils (aussi minimes que passer de 1,1° à 1,2°) dans l’angle entre les couches empilées.
Par exemple, il a été démontré que les couches torsadées de graphène se comportent d’une manière que les feuilles simples ne se comportent pas, notamment en agissant comme des aimants, des supraconducteurs électriques ou des isolants, le tout en raison de petits changements dans l’angle de torsion entre les feuilles.
Possibilités et défis théoriques
En théorie, vous pouvez composer n’importe quelle propriété en tournant un bouton qui modifie l’angle de torsion. Cependant, la réalité n’est pas si simple, selon le physicien Cory Dean de Columbia. 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, ni encore entièrement contrôlée.
Nouvelle technique de fabrication du graphène
Dean et son laboratoire ont développé 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 le journal Scienceils utilisent de longs « rubans » de graphène, plutôt que des flocons carrés, pour créer des dispositifs offrant un nouveau niveau de prévisibilité et de contrôle sur l’angle de torsion et la déformation.
« Nous n’avons plus besoin de fabriquer 10 appareils distincts avec 10 angles différents pour voir ce qui se passe. Et nous pouvons désormais contrôler la tension.
— Postdoctorante Colombie Maëlle Kapfer
Les appareils en graphène ont généralement été assemblés à partir de atome– de fines paillettes de graphène qui ne mesurent que quelques micromètres carrés. L’angle de torsion qui en résulte entre les feuilles est fixe et les flocons peuvent être difficiles à superposer en douceur.
« Imaginez le graphène comme des morceaux de papier saran : lorsque vous assemblez deux morceaux, vous obtenez de petites rides et bulles aléatoires », a déclaré le postdoctorant 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 une déformation, une flexion et un pincement aléatoires du matériau. Toutes ces variations peuvent donner lieu à de nouveaux comportements, mais elles sont difficiles à contrôler au sein et entre les appareils.
Avantages de la technologie du ruban
Les rubans peuvent aider à adoucir les choses. Les nouvelles recherches du laboratoire montrent qu’avec juste une petite 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 seconde 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 sur toute la surface : 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 Maëlle Kapfer, postdoctorante et co-auteure. « Et nous pouvons désormais contrôler la contrainte, ce qui manquait complètement dans les dispositifs tordus précédents. »
« Ce que nous faisons s’apparente à de l’alchimie quantique : prendre un matériau et le transformer en autre chose. Nous disposons désormais d’une plateforme pour explorer systématiquement comment cela se produit.
— Bjarke Jessen, postdoctorant à Columbia
L’équipe a utilisé des microscopes spéciaux à haute résolution pour confirmer l’uniformité de leurs appareils. Grâce à 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.
Orientations futures et alchimie quantique
Ce premier article visait à caractériser le comportement et les propriétés des rubans de graphène ainsi que d’autres matériaux pouvant être amincis en une seule couche 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 que l’on appelle « l’angle magique », ainsi que des prédictions d’angles magiques supplémentaires qui ont été jusqu’à présent trop difficiles à stabiliser, a déclaré Dean. Grâce à des appareils constitués de 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 s’apparente à de l’alchimie quantique : prendre un matériau et le transformer en autre chose. Nous disposons désormais d’une plateforme pour explorer systématiquement comment cela se produit », a déclaré Jessen.
Ce travail a été principalement soutenu par le Centre de recherche sur les frontières énergétiques (EFRC) sur les matériaux quantiques programmables (Pro-QM), financé par le ministère de l’Énergie.
