Dans de nouvelles recherches publiées dans NatureLes scientifiques de l'Institut Weizmann introduisent un outil puissant pour explorer les phénomènes quantiques: le microscope à torsion quantique cryogénique (QTM).
En utilisant cet instrument pionnier, les chercheurs ont observé – pour la première fois – les interactions entre les électrons et une vibration atomique exotique dans des feuilles de graphène torsadées, appelé phason. Ces résultats ont donné un coup de feu sur la mystérieuse supraconductivité et la métallicité étrange qui émergent lorsque les feuilles de graphène sont tournées à l'angle magique.
Les propriétés fondamentales des matériaux dépendent de manière critique de leurs particules sous-jacentes – le flux d'électrons régit la résistance électrique et les vibrations du réseau atomique, appelées phonons, conduisent la conductivité thermique. Cependant, lorsque les électrons et les phonons sont couplés, de nouveaux phénomènes remarquables peuvent émerger.
Le phénomène le plus intrigant se produit peut-être lorsque le couplage permet aux phonons de se lier efficacement aux électrons en paires, entraînant une supraconductivité – un état où le courant électrique coule sans résistance. Malgré son rôle crucial, les mesures du couplage électronique-phonon pour les modes phonon individuels sont restées un défi exceptionnel.
Il y a deux ans, une équipe de chercheurs du Weizmann Institute of Science, dirigée par le professeur Shahal Ilani, a développé le microscope Twisting Quantum. Ce microscope utilise un matériau Van der Waals atomiquement mince à ses extrémités comme interféromètre quantique, permettant une mesure directe des fonctions d'onde électronique dans un matériau quantique. Avec leur QTM d'origine, fonctionnant à température ambiante, ils ont pu imaginer le spectre électronique de divers matériaux.
Maintenant, en créant un QTM qui fonctionne à des températures cryogéniques, l'équipe a découvert qu'elle peut également imaginer des phonons avec une précision sans précédent. Le nouveau QTM utilise un processus inélastique, où les electrons tunnel entre deux couches atomiquement minces émettent un phonon dont l'énergie et l'élan sont contrôlés en ajustant le biais de tension et l'angle de torsion entre les couches. En réglant systématiquement ces paramètres, ils pourraient cartographier le spectre d'énergie phonon complet du matériau à l'étude.
« Notre technique mesure non seulement le spectre du phonon, mais quantifie également la force des électrons à chaque mode phonon », explique le Dr John Birkbeck, auteur principal de cette étude. « Les matériaux hébergent de nombreux modes phonon, chacun peut avoir une large gamme d'empeillements. Notre microscope révèle quantitativement comment les électrons interagissent individuellement avec chaque mode, offrant un aperçu sans précédent de la dynamique électronique-phonon. »
L'application de cette nouvelle technique au graphène bicouche torsadé a donné une découverte surprenante: une vibration unique de basse énergie connue sous le nom de phason, dont le couplage aux électrons se renforce à mesure que les couches de graphène approchent l'angle magique. Ce comportement n'avait jamais été observé auparavant et suggère que les phasons peuvent jouer un rôle clé dans l'étrange comportement du métal et la supraconductivité observés dans ce système.
« Notre méthode s'étend bien au-delà des phonons », ajoute Jiewen Xiao, un autre auteur principal de l'étude. « Il peut détecter toute excitation couplée aux électrons de tunneling, ouvrant des avenues passionnantes pour explorer d'autres modes collectifs tels que les plasmons, les magnons, les spinons et d'autres modes Goldstone à travers une gamme diversifiée de matériaux quantiques. »
« Cette étude nous rend optimistes quant aux découvertes futures », explique Alon Inbar, un autre auteur principal. « Des progrès significatifs dans notre compréhension de ces modes fondamentaux dans les matériaux quantiques viendront sous peu. »
Avec cette expansion significative dans ses capacités, le QTM est prêt à devenir un instrument transformateur pour la recherche sur les matériaux quantiques. Sa capacité unique à sonder les états électroniques et les excitations collectives ouvre la voie à des découvertes pertinentes pour l'informatique quantique, les technologies de détection et les futurs dispositifs électroniques quantiques.
