Les électrons dans un morceau de graphène tordu montrent un étrange motif de répétition prédit pour la première fois en 1976, mais jamais directement mesuré jusqu'à présent
Calcul théorique des niveaux d'énergie des électrons dans des couches de graphène torsadées dans un champ magnétique, montrant le modèle fractal «papillon» prédit par Douglas Hofstadter
Un motif de papillon fractal produit par une configuration inhabituelle de champs magnétiques, prévu pour la première fois il y a près de 50 ans, a été vu en détail pour la première fois dans un morceau de graphène tordu.
Alors qu'un étudiant en physique en 1976, le informaticien Douglas Hofstadter a prédit que lorsque certains cristaux bidimensionnels étaient placés dans des champs magnétiques, les niveaux d'énergie de leurs électrons devraient produire un motif étrange qui se ressemble à la distance à laquelle vous zoomez, connu sous le nom de fractale. À l'époque, cependant, Hofstadter a calculé que les atomes du cristal devraient être incroyablement proches les uns des autres pour produire un tel modèle.
En 2013, les chercheurs ont d'abord vu des indices expérimentaux de ce modèle, qui sont devenus connus sous le nom de papillon de Hofstadter, dans une feuille plate de nitrure de bore, un matériau similaire au graphène. Leurs mesures ont examiné la résistance globale du matériau, ce qui pourrait donner des indices de ce que les électrons faisaient, mais ils ne connaissaient toujours pas les énergies exactes des électrons.
Maintenant, Ali Yazdani à l'Université de Princeton et ses collègues ont mesuré pour la première fois le papillon de Hofstadter, en utilisant deux couches torsadées de graphène.
Lorsqu'une couche de graphène est tournée sur un autre à un certain angle, appelé angle magique, il produit des motifs structurels répétitifs uniques et des champs magnétiques qui peuvent conduire à des propriétés inattendues, telles que la supraconductivité. Ces conditions sont similaires à celles de la prédiction originale de Hofstadter, mais les champs magnétiques forts déforment les électrons du graphène, ce qui les rend impossibles à mesurer en détail avec un microscope électronique.
Yazdani et ses collègues expérimentaient un deuxième angle magique, ce qui conduit à des modèles répétitifs plus larges, lorsqu'ils ont réalisé qu'il produirait des champs magnétiques plus faibles et laisserait les électrons libres de mesurer, permettant à l'équipe de prendre des lectures détaillées de leurs énergies. «Le fait que nous puissions aller dans ces champs magnétiques très bas et faire cette expérience, était un endroit idéal que les gens n'avaient pas prévu auparavant», explique Yazdani.
«C'est une belle histoire qui montre le pouvoir prédictif que nous avons», explique Johannes Lischner à l'Imperial College de Londres. «Nous comprenons vraiment les lois fondamentales des électrons, à tel point que nous pouvons faire une prédiction et, même si cela prend 50 ans pour le vérifier, en fin de compte, il sort comme il a été prédit.»
«J'ai été très satisfait des conclusions de base du journal», explique Hofstadter. «J'ai quitté la physique il y a environ 50 ans, et donc je ne peux vraiment pas offrir de jugements professionnels à ce sujet. Il va sans dire que je suis toujours satisfait quand il y a des confirmations empiriques de la structure que j'ai prédite en 1976. »
