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Des physiciens du MIT forgent une autoroute quantique à cinq voies pour les électrons

SciTechDaily

Représentation artistique d'une autoroute récemment découverte pour les électrons pouvant apparaître dans le graphène rhomboédrique. « Nous avons trouvé une mine d'or et chaque scoop révèle quelque chose de nouveau », déclare Long Ju, professeur adjoint au MIT. Crédit : Sampson Wilcox/Laboratoire de recherche en électronique

MIT Les physiciens ont développé une nouvelle forme de graphènecréant une autoroute électronique à cinq voies qui permet un mouvement d'électrons ultra-efficace sans perte d'énergie.

Cette percée dans le graphène pentacouche rhomboédrique pourrait transformer les appareils électroniques de faible puissance et fonctionne via l'effet Hall anormal quantique à champ magnétique nul.

Des physiciens du MIT et leurs collaborateurs ont créé une autoroute à cinq voies pour les électrons qui pourrait permettre une électronique ultra-efficace et bien plus encore.

Les travaux, rapportés récemment dans la revue Scienceest l’une des nombreuses découvertes importantes réalisées par la même équipe au cours de l’année écoulée concernant un matériau qui est une forme unique de graphène.

« Cette découverte a des implications directes pour les appareils électroniques de faible puissance, car aucune énergie n'est perdue lors de la propagation des électrons, ce qui n'est pas le cas dans les matériaux ordinaires où les électrons sont dispersés », explique Long Ju, professeur adjoint au Département de physique. et auteur correspondant du Science papier.

Le phénomène s’apparente à celui des voitures circulant sur une autoroute ouverte, par opposition à celles qui traversent les quartiers. Les voitures du quartier peuvent être arrêtées ou ralenties par d'autres conducteurs effectuant des arrêts brusques ou des demi-tours qui perturbent un trajet autrement fluide.

Un nouveau matériau : le graphène rhomboédrique

Le matériau à l'origine de ces travaux, connu sous le nom de graphène pentacouche rhomboédrique, a été découvert il y a deux ans par des physiciens dirigés par Ju. « Nous avons trouvé une mine d'or, et chaque découverte révèle quelque chose de nouveau », déclare Ju, qui est également affilié au laboratoire de recherche sur les matériaux du MIT.

Dans un Nature Nanotechnologie En octobre dernier, dans un article publié dans la revue Nature Research, Ju et ses collègues ont annoncé la découverte de trois propriétés importantes du graphène rhomboédrique. Par exemple, ils ont montré qu'il pouvait être topologique, c'est-à-dire permettre le mouvement sans entrave des électrons autour du bord du matériau, mais pas à travers le milieu. Cela a donné lieu à une super-autoroute, mais a nécessité l'application d'un champ magnétique important, des dizaines de milliers de fois plus fort que le champ magnétique terrestre.

Chercheurs du MIT sur le graphène rhomboédrique

Six des physiciens du MIT qui ont créé une super-autoroute à cinq voies pour les électrons sont (de gauche à droite) les étudiants diplômés Jixiang Yang, Junseok Seo et Tonghang Han ; l'étudiant de premier cycle invité Yuxuan Yao ; le professeur adjoint Long Ju ; et le postdoctorant Zhengguang Lu. Crédit : Shenyong Ye

Améliorer les canaux électroniques du graphène

Dans le cadre des travaux en cours, l’équipe rapporte avoir créé l’autoroute sans aucun champ magnétique.

Tonghang Han, étudiant diplômé en physique au MIT, est co-auteur principal de l’étude. « Nous ne sommes pas les premiers à avoir découvert ce phénomène général, mais nous l’avons fait dans un système très différent. Et comparé aux systèmes précédents, le nôtre est plus simple et prend également en charge davantage de canaux électroniques. » Ju explique : « D’autres matériaux ne peuvent supporter qu’une seule voie de circulation sur le bord du matériau. Nous l’avons soudainement portée à cinq. »

Les autres co-premiers auteurs de l'article qui ont contribué à parts égales au travail sont Zhengguang Lu et Yuxuan Yao. Lu est postdoctorant au Laboratoire de recherche sur les matériaux. Yao a mené les travaux en tant qu'étudiant invité de premier cycle à l'Université Tsinghua. Les autres auteurs sont Liang Fu, professeur de physique au MIT ; Jixiang Yang et Junseok Seo, tous deux étudiants diplômés en physique du MIT ; Chiho Yoon et Fan Zhang de l'Université du Texas à Dallas ; et Kenji Watanabe et Takashi Taniguchi de l'Institut national des sciences des matériaux au Japon.

Comment ça fonctionne

Le graphite, principal composant de la mine de crayon, est composé de plusieurs couches de graphène, une seule couche d'atomes de carbone disposée en hexagones ressemblant à une structure en nid d'abeille. Le graphène rhomboédrique est composé de cinq couches de graphène empilées dans un ordre de chevauchement spécifique.

Ju et ses collègues ont isolé du graphène rhomboédrique grâce à un nouveau microscope que Ju a construit au MIT en 2021 et qui peut déterminer rapidement et à peu de frais une variété de caractéristiques importantes d'un matériau à l'échelle échelle nanométriqueLe graphène rhomboédrique empilé en cinq couches ne mesure que quelques milliardièmes de mètre d'épaisseur.

Dans le travail actuel, l'équipe a modifié le système d'origine en ajoutant une couche de disulfure de tungstène (WS2). « L'interaction entre le WS2 et le graphène rhomboédrique à cinq couches a donné naissance à cette superautoroute à cinq voies qui fonctionne à champ magnétique nul », explique Ju.

Comparaison avec la supraconductivité

Le phénomène découvert par le groupe Ju dans le graphène rhomboédrique, qui permet aux électrons de se déplacer sans résistance dans un champ magnétique nul, est connu sous le nom d'effet Hall quantique anormal. La plupart des gens connaissent mieux la supraconductivité, un phénomène complètement différent qui fait la même chose mais qui se produit dans des matériaux très différents.

Ju note que bien que les supraconducteurs aient été découverts dans les années 1910, il a fallu environ 100 ans de recherche pour amener le système à fonctionner aux températures plus élevées nécessaires aux applications. « Et le record du monde est encore bien en dessous de la température ambiante », note-t-il.

De même, l’autoroute rhomboédrique du graphène fonctionne actuellement à environ 2 kelvins, soit -456 degrés Fahrenheit. « Il faudra beaucoup d’efforts pour élever la température, mais en tant que physiciens, notre travail consiste à fournir des informations ; une manière différente de réaliser ce (phénomène) », dit Ju.

Implications et perspectives d'avenir

Les découvertes impliquant le graphène rhomboédrique sont le résultat de recherches minutieuses dont l’efficacité n’était pas garantie. « Nous avons essayé de nombreuses recettes pendant plusieurs mois », explique Han, « c’était donc très excitant lorsque nous avons refroidi le système à une température très basse et que (une autoroute à cinq voies fonctionnant à champ magnétique nul) est apparue. »

Selon Ju, « c'est très excitant d'être le premier à découvrir un phénomène dans un nouveau système, en particulier dans un matériau que nous avons découvert ».

Ce travail a été soutenu par une bourse Sloan, la National Science Foundation des États-Unis, le Bureau du sous-secrétaire à la Défense pour la recherche et l'ingénierie des États-Unis, la Société japonaise pour la promotion de la science KAKENHI et la World Premier International Research Initiative du Japon.

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