Des chercheurs du MIT ont découvert des propriétés uniques du graphite en empilant cinq couches de graphène dans un ordre précis. Ce graphène empilé rhomboédrique pentacouche peut manifester des caractéristiques isolantes, magnétiques ou topologiques, marquant une découverte importante en physique des matériaux utilisant des techniques innovantes de microscopie à l’échelle nanométrique.
Isolez des flocons minces qui peuvent être réglés pour présenter trois propriétés importantes.
MIT les physiciens ont métaphoriquement transformé le graphite, ou mine de crayon, en or en isolant cinq flocons ultrafins empilés dans un ordre spécifique. Le matériau résultant peut ensuite être réglé pour présenter trois propriétés importantes jamais vues auparavant dans le graphite naturel.
« C’est un peu comme un guichet unique », déclare Long Ju, professeur adjoint au département de physique du MIT et responsable des travaux, rapportés dans le numéro du 5 octobre de Nature Nanotechnologie. « La nature réserve bien des surprises. Dans ce cas, nous n’avions jamais réalisé que toutes ces choses intéressantes étaient incorporées dans le graphite.
De plus, dit-il, « il est très rare de trouver des matériaux capables d’héberger autant de propriétés ».
L’essor de la « twistronique »
Le graphite est composé de graphène, qui est une seule couche d’atomes de carbone disposés en hexagones ressemblant à une structure en nid d’abeille. Le graphène, quant à lui, a fait l’objet d’intenses recherches depuis sa première isolation il y a environ 20 ans. Puis, il y a environ cinq ans, des chercheurs, dont une équipe du MIT, ont découvert que l’empilement de feuilles individuelles de graphène et leur torsion légère les unes par rapport aux autres pouvaient conférer de nouvelles propriétés au matériau, de la supraconductivité au magnétisme. Le domaine de la « twistronique » était né.
Dans les travaux en cours, « nous avons découvert des propriétés intéressantes sans aucune torsion », explique Ju, qui est également affilié au Laboratoire de recherche sur les matériaux.
Représentation artistique de la corrélation électronique, ou de la capacité des électrons à communiquer entre eux, qui peut se produire dans un type particulier de graphite (mine de crayon). Crédit : Sampson Wilcox, Laboratoire de recherche en électronique du MIT
Lui et ses collègues ont découvert que cinq couches de graphène disposées dans un certain ordre permettent aux électrons se déplaçant à l’intérieur du matériau de communiquer entre eux. Ce phénomène, connu sous le nom de corrélation électronique, « est la magie qui rend toutes ces nouvelles propriétés possibles », explique Ju.
Le graphite en vrac – et même des feuilles simples de graphène – sont de bons conducteurs électriques, mais c’est tout. Le matériau isolé par Ju et ses collègues, qu’ils appellent graphène empilé rhomboédrique pentacouche, devient bien plus que la somme de ses parties.
Un nouveau microscope et ses découvertes
La clé pour isoler le matériau était un nouveau microscope Ju construit au MIT en 2021, capable de déterminer rapidement et à relativement peu de frais une variété de caractéristiques importantes d’un matériau au niveau du matériau. à l’échelle nanométrique. Le graphène empilé rhomboédrique pentacouche n’a que quelques milliardièmes de mètre d’épaisseur.
Des scientifiques, dont Ju, recherchaient du graphène multicouche empilé dans un ordre très précis, appelé empilement rhomboédrique. Selon Ju, « il y a plus de 10 ordres d’empilement possibles lorsque vous passez à cinq couches. Rhomboédrique n’est que l’un d’entre eux. Le microscope construit par Ju, connu sous le nom de microscopie optique à champ proche à balayage de type diffusion, ou s-SNOM, a permis aux scientifiques d’identifier et d’isoler uniquement les pentacouches dans l’ordre d’empilement rhomboédrique qui les intéressait.
Des phénomènes matériels aux multiples facettes
À partir de là, l’équipe a attaché des électrodes à un minuscule sandwich composé de « pain » de nitrure de bore qui protège la « viande » délicate de graphène empilé rhomboédrique pentacouche. Les électrodes leur ont permis de régler le système avec différentes tensions ou quantités d’électricité. Résultat : ils ont découvert l’émergence de trois phénomènes différents en fonction du nombre d’électrons inondant le système.
Zhengguang Lu, associé postdoctoral au MIT, le professeur adjoint Long Ju et l’étudiant diplômé Tonghang Han dans le laboratoire. Tous trois sont auteurs, avec sept autres, d’un article dans Nature Nanotechnology sur un type particulier de graphite (mine de crayon). Crédit : Ju Lab
« Nous avons découvert que le matériau pouvait être isolant, magnétique ou topologique », explique Ju. Ce dernier est quelque peu lié à la fois aux conducteurs et aux isolants. Essentiellement, explique Ju, un matériau topologique permet le mouvement sans entrave des électrons autour des bords d’un matériau, mais pas à travers le milieu. Les électrons se déplacent dans une direction le long d’une « autoroute » située à la limite du matériau, séparée par une médiane qui constitue le centre du matériau. Ainsi, le bord d’un matériau topologique est un conducteur parfait, tandis que le centre est un isolant.
« Notre travail établit le graphène multicouche empilé rhomboédrique comme une plate-forme hautement réglable pour étudier ces nouvelles possibilités de physique fortement corrélée et topologique », concluent Ju et ses coauteurs dans Nature Nanotechnologie.
Outre Ju, les auteurs de l’article sont Tonghang Han et Zhengguang Lu. Han est un étudiant diplômé au Département de physique ; Lu est associé postdoctoral au Laboratoire de recherche sur les matériaux. Les deux sont les co-premiers auteurs de l’article.
Les autres auteurs sont Giovanni Scuri, Jiho Sung, Jue Wang et Hongkun Park de l’Université Harvard ; Kenji Watanabe et Takashi Taniguchi de l’Institut national des sciences des matériaux au Japon, et Tianyi Han du MIT Physics.
Ce travail a été soutenu par une bourse Sloan ; la National Science Foundation des États-Unis ; le Bureau américain du sous-secrétaire à la Défense chargé de la recherche et de l’ingénierie ; la Société japonaise pour la promotion de la science KAKENHI ; la Première initiative mondiale de recherche internationale du Japon ; et le Bureau de recherche scientifique de l’US Air Force.
