Papillon graphite. Des chercheurs ont fait une découverte importante dans le graphite, un matériau ancien. En utilisant la technologie de van der Waals et la twistronique, ils ont trouvé une nouvelle physique dans la structure du graphite, en particulier un mélange en 2,5 dimensions des états de surface et de masse. Cela a conduit à de nouvelles connaissances sur le contrôle des propriétés électroniques dans les matériaux 2D et 3D. Crédit : Prof. Jun Yin (co-auteur de l’article)
Des scientifiques de l’Institut national du graphène de l’Université de Manchester ont découvert une nouvelle physique dans le graphite grâce à l’application de la twistronique, révélant un mélange en 2,5 dimensions des états de surface et de masse. La recherche ouvre de nouvelles possibilités dans le contrôle des propriétés électroniques des matériaux 2D et 3D.
Des chercheurs du National Graphene Institute (NGI) de l’Université de Manchester ont revisité le graphite, l’un des matériaux les plus anciens sur Terre, et découvert une nouvelle physique qui échappe au domaine depuis des décennies.
La complexité du graphite
Bien qu’il soit entièrement constitué de couches d’atomes de carbone disposées en nid d’abeilles, le graphite naturel n’est pas aussi simple qu’on pourrait le penser. La manière dont ces couches atomiques s’empilent les unes sur les autres peut donner lieu à différents types de graphite. Ceux-ci sont caractérisés par différents ordres d’empilement de plans atomiques consécutifs. La majorité du graphite d’apparence naturelle a un empilement hexagonal, ce qui en fait l’un des matériaux les plus « ordinaires » sur Terre. La structure d’un cristal de graphite est un motif répétitif. Ce motif est perturbé à la surface du cristal, conduisant à ce qu’on appelle des «états de surface», qui sont comme des vagues qui s’estompent lentement à mesure que vous vous enfoncez dans le cristal. Cependant, la façon dont les états de surface peuvent être réglés dans le graphite n’était pas bien comprise.
Nouvelles perspectives grâce à Twistronics
La technologie Van der Waals et la twistronique (empilement de deux cristaux 2D à un angle de torsion pour ajuster dans une large mesure les propriétés de la structure résultante, en raison du motif de moiré formé à leur interface) sont les deux principaux domaines de la recherche sur les matériaux 2D. Maintenant, l’équipe de chercheurs du NGI, dirigée par le professeur Artem Mishchenko, utilise le motif moiré pour ajuster les états de surface du graphite, rappelant un kaléidoscope avec des images en constante évolution lorsque l’on tourne l’objectif, révélant l’extraordinaire nouvelle physique derrière le graphite .
En particulier, le professeur Mishchenko a étendu la technique twistronique au graphite tridimensionnel et a découvert que le potentiel de moiré ne modifie pas seulement les états de surface du graphite, mais affecte également le spectre électronique de l’ensemble du cristal de graphite. Tout comme l’histoire bien connue de La princesse et le pois, la princesse a senti le pois à travers les vingt matelas et les vingt édredons. Dans le cas du graphite, le potentiel de moiré à une interface alignée pourrait pénétrer à travers plus de 40 couches graphitiques atomiques.
Observations et implications
Cette recherche, publiée dans un récent numéro de la revue Nature, ont étudié les effets des motifs de moiré dans le graphite hexagonal massif généré par un alignement cristallographique avec du nitrure de bore hexagonal. Le résultat le plus fascinant est l’observation d’un mélange en 2,5 dimensions des états de surface et de masse dans le graphite, qui se manifeste dans un nouveau type d’effet Hall quantique fractal – un papillon de Hofstadter 2,5D.
Le professeur Artem Mishchenko de l’Université de Manchester, qui a déjà découvert l’effet Hall quantique à 2,5 dimensions dans le graphite, a déclaré : « Le graphite a donné naissance au célèbre graphène, mais les gens ne sont normalement pas intéressés par ce « vieux » matériel. Et maintenant, même avec nos connaissances accumulées sur le graphite de différents ordres d’empilement et d’alignement au cours des dernières années, nous avons toujours trouvé que le graphite était un système très attrayant – il reste encore beaucoup à explorer ». Ciaran Mullan, l’un des principaux auteurs de l’article, a ajouté : « Notre travail ouvre de nouvelles possibilités pour contrôler les propriétés électroniques par twistronics non seulement en 2D mais aussi dans les matériaux 3D. »
Dernières pensées
Le professeur Vladimir Fal’ko, directeur de l’Institut national du graphène et physicien théoricien au Département de physique et d’astronomie, a ajouté : « L’effet Hall quantique 2,5D inhabituel dans le graphite résulte de l’interaction entre deux phénomènes de manuels de physique quantique – la quantification de Landau dans des champs magnétiques puissants et un confinement quantique, conduisant à un autre nouveau type d’effet quantique.
La même équipe poursuit maintenant les recherches sur le graphite pour mieux comprendre ce matériau étonnamment intéressant.
