Images de microscopie à effet tunnel de graphène bicouche torsadé, qui montrent le réseau atomique de graphène (panneau de gauche) et le super-réseau moiré de graphène à angle magique (panneau de droite). Crédit image : Kevin Nuckolls, groupe Yazdani
Une nouvelle étude capture le comportement des électrons en interaction qui donnent lieu à des états isolants, abordant ainsi une énigme clé non résolue dans ce domaine.
Des chercheurs dirigés par Princeton ont percé les mystères des interactions électroniques dans le MATBG grâce à la microscopie avancée, ouvrant ainsi la voie aux progrès de la technologie quantique.
Une équipe de recherche, dirigée par des scientifiques de université de Princetona photographié les fondements microscopiques précis responsables de nombreuses phases quantiques observées dans un matériau connu sous le nom de bicouche torsadée à angle magique. graphène (MATBG). Constitué de couches torsadées d’atomes de carbone disposées selon un motif hexagonal bidimensionnel, ce matériau remarquable a été ces dernières années à l’avant-garde de la recherche en physique, notamment en physique de la matière condensée.
Plus précisément, les chercheurs ont pu, pour la première fois, capturer des visualisations d’une précision sans précédent du comportement microscopique des électrons en interaction qui donnent naissance à la phase quantique isolante du MATBG. De plus, grâce à l’utilisation de techniques théoriques nouvelles et innovantes, ils ont pu interpréter et comprendre ces comportements.
Contexte historique
Pablo Jarillo-Herrero et son équipe du Massachusetts Institute of Technology (MIT) ont découvert pour la première fois les propriétés fascinantes du graphène bicouche torsadé en 2018. Ils ont montré que ce matériau peut être supraconducteur, un état dans lequel les électrons circulent librement sans aucune résistance. Cet état est vital pour bon nombre de nos appareils électroniques quotidiens, notamment pour les aimants des IRM et les accélérateurs de particules, ainsi que pour la fabrication de bits quantiques (appelés qubits) utilisés pour construire des ordinateurs quantiques.
Les images haute résolution mesurées à l’aide du microscope à effet tunnel montrent des modèles d’interférence quantique dans le graphène à angle magique. La manière dont ces modèles changent à travers le matériau renseigne les chercheurs sur les origines microscopiques de ses états quantiques. Crédit : Kevin Nuckolls, Yazdani Group, Université de Princeton
Depuis cette découverte, le graphène bicouche torsadé a démontré de nombreux nouveaux états physiques quantiques, tels que les états isolants, magnétiques et supraconducteurs, tous créés par des interactions complexes d’électrons.
Comment et pourquoi les électrons forment des états isolants dans le MATBG ont été l’une des principales énigmes non résolues dans ce domaine. La solution à cette énigme permettrait non seulement de mieux comprendre à la fois l’isolant et le supraconducteur proche, mais également le comportement partagé par de nombreux supraconducteurs inhabituels que les scientifiques cherchent à comprendre, y compris les supraconducteurs cuprates à haute température.
« MATBG montre beaucoup de physique intéressante dans une seule plate-forme matérielle, dont une grande partie reste à comprendre », a déclaré Kevin Nuckolls, co-auteur principal de l’article, qui a obtenu son doctorat. en 2023 au département de physique de Princeton et désormais chercheur postdoctoral au MIT. « Cette phase isolante, dans laquelle les électrons sont complètement empêchés de circuler, reste un véritable mystère. »
Comprendre les propriétés de MATBG
Pour créer les effets quantiques souhaités, les scientifiques placent deux feuilles de graphène l’une sur l’autre, la couche supérieure étant légèrement inclinée. Cette position décalée crée un motif moiré, qui ressemble à un motif textile français courant et porte son nom. Mais il est crucial que l’angle auquel la couche supérieure de graphène doit être positionnée soit exactement de 1,1 degrés. C’est l’angle « magique » qui produit l’effet quantique ; c’est-à-dire que cet angle induit des interactions étranges et fortement corrélées entre les électrons des feuilles de graphène.
Bien que les physiciens aient pu démontrer différentes phases quantiques dans ce matériau, telles que la phase supraconductrice à résistance nulle et la phase isolante, on comprend très peu pourquoi ces phases se produisent dans le MATBG. En effet, toutes les expériences précédentes impliquant MATBG fournissent de bonnes démonstrations de quoi le système est capable de produire, mais pas pourquoi le système produit ces états.
Et ce « pourquoi » est devenu la base de l’expérience actuelle.
« L’idée générale de cette expérience est que nous voulions poser des questions sur les origines de ces phases quantiques – pour vraiment comprendre ce que font exactement les électrons à l’échelle atomique du graphène », a déclaré Nuckolls. « Être capable de sonder le matériau au microscope et de prendre des images de ses états corrélés – pour les identifier efficacement – nous donne la capacité de discerner très distinctement et précisément les origines microscopiques de certaines de ces phases. Notre expérience aide également à guider les théoriciens dans la recherche de phases non prévues.
Techniques de recherche avancées
L’étude, publiée dans le numéro du 16 août de la revue Natureest l’aboutissement de deux années de travail et a été réalisé par une équipe de l’Université de Princeton et du Université de Californie, Berkeley. Les scientifiques ont exploité la puissance du microscope à effet tunnel (STM) pour sonder ce domaine très infime. Cet outil repose sur une technique appelée « tunnel quantique », dans laquelle les électrons sont canalisés entre la pointe métallique pointue du microscope et l’échantillon. Le microscope utilise ce courant tunnel plutôt que la lumière pour visualiser le monde des électrons à l’échelle atomique. Les mesures de ces événements tunnel quantiques sont ensuite traduites en images de matériaux haute résolution et très sensibles.
Cependant, la première étape, et peut-être l’étape la plus cruciale dans le succès de l’expérience, a été la création de ce que les chercheurs appellent un échantillon « vierge ». La surface des atomes de carbone qui constituait l’échantillon de graphène bicouche torsadé ne devait présenter aucun défaut ni imperfection.
« L’avancée technique qui a permis la réalisation de cet article réside dans la capacité de notre groupe à rendre les échantillons si impeccables en termes de propreté que ces images haute résolution que vous voyez dans l’article étaient possibles », a déclaré Ali Yazdani, professeur de la promotion 1909. de physique et directeur du Centre des matériaux complexes de l’Université de Princeton. « En d’autres termes, vous devez fabriquer cent mille atomes sans un seul défaut ni désordre. »
L’expérience réelle impliquait de placer les feuilles de graphène dans le bon « angle magique », à 1,1 degrés. Les chercheurs ont ensuite positionné la pointe métallique pointue du STM sur l’échantillon de graphène et ont mesuré le courant tunnel de la mécanique quantique lorsqu’ils déplaçaient la pointe sur l’échantillon.
« Les électrons à cette échelle quantique ne sont pas seulement des particules, mais aussi des ondes », a déclaré Ryan Lee, étudiant diplômé au Département de physique de Princeton et l’un des co-auteurs principaux de l’article. « Et essentiellement, nous imaginons des modèles d’électrons ondulatoires, où la manière exacte dont ils interfèrent (les uns avec les autres) nous donne des informations très spécifiques sur ce qui donne lieu aux états électroniques sous-jacents. »
Décrypter les énigmes quantiques
Ces informations ont permis aux chercheurs de faire des interprétations très incisives sur les phases quantiques produites par le graphène bicouche torsadé. Il est important de noter que les chercheurs ont utilisé ces informations pour se concentrer et résoudre l’énigme de longue date qui défie depuis de nombreuses années les chercheurs travaillant dans ce domaine, à savoir la phase d’isolation quantique qui se produit lorsque le graphène est réglé sur son angle magique.
Pour mieux comprendre cela d’un point de vue théorique, les chercheurs de Princeton ont collaboré avec une équipe de l’Université de Californie à Berkeley, dirigée par les physiciens B. Andrei Bernevig à Princeton et Michael Zaletel à Berkeley. Cette équipe a développé un cadre théorique nouveau et innovant appelé analyse des « paramètres d’ordre local » pour interpréter les images STM et comprendre ce que faisaient les électrons – en d’autres termes, comment ils interagissaient – dans la phase isolante. Ce qu’ils ont découvert, c’est que l’état isolant se produit en raison de la forte répulsion entre les électrons, au niveau microscopique.
« Dans le graphène bicouche torsadé à angle magique, le défi était de modéliser le système », a déclaré Tomohiro Soejima, étudiant diplômé et théoricien à l’UC Berkeley et l’un des co-auteurs principaux de l’article. « Il y avait de nombreuses théories concurrentes, et personne ne savait laquelle était la bonne. Notre expérience des « empreintes digitales » était vraiment cruciale, car nous pouvions ainsi identifier les interactions électroniques réelles qui donnent naissance à la phase isolante. »
En utilisant ce cadre théorique, les chercheurs ont pu, pour la première fois, mesurer les fonctions d’onde observées des électrons. « L’expérience introduit une nouvelle façon d’analyser la microscopie quantique », a déclaré Yazdani.
Les chercheurs suggèrent que la technologie – à la fois l’imagerie et le cadre théorique – pourra être utilisée à l’avenir pour analyser et comprendre de nombreuses autres phases quantiques du MATBG et, finalement, pour aider à comprendre les propriétés matérielles nouvelles et inhabituelles qui pourraient être utiles pour la prochaine génération. applications technologiques quantiques.
« Notre expérience était un merveilleux exemple de la façon dont Mère Nature peut être si compliquée – peut être vraiment déroutante – jusqu’à ce que vous disposiez du bon cadre pour l’examiner, et ensuite vous dites : ‘oh, c’est ce qui se passe' », a déclaré Yazdani.
Ce travail a été principalement soutenu par l’initiative EPiQS de la Fondation Gordon et Betty Moore via la subvention GBMF9469 et la subvention DE-FG02-07ER46419 du Département américain de l’énergie. Un autre soutien pour les travaux expérimentaux a été fourni par la National Science Foundation (NSF-MRSEC) par l’intermédiaire du Princeton Center for Complex Materials et des subventions NSF-DMR2011750, NSF-DMR-1904442, ARO MURI (W911NF-21-2-0147) et ONR N00012-21-1-2592. Un soutien supplémentaire a été fourni par une bourse de la Fondation Masason et par le Département américain de l’énergie, l’Office of Science, les National Quantum Information Science Research Centers, Quantum Systems Accelerator ; le département de physique de l’Université de Princeton ; le Département américain de l’énergie, Office of Science, Office of Basic Energy Sciences, Materials Sciences and Engineering Division, dans le cadre du contrat n° DE-AC02-05CH11231, dans le cadre du programme d’hétérostructures van der Waals (KCWF16) ; la Fondation Alfred P. Sloan ; le Conseil européen de la recherche (ERC) dans le cadre du programme de recherche et d’innovation Horizon 2020 de l’Union européenne (subvention 101020833), la subvention N00014-20-1-2303 de l’Office of Naval Research, la subvention Simons Investigator 404513, la Fondation Gordon et Betty Moore à travers le Initiative EPiQS, subvention GBMF11070 et subvention GBMF8685, subvention de la fondation BSF Israel US 2018226 et Princeton Global Network Funds ; et la bourse Hertz. NR reconnaît le soutien du programme QuantERA II qui a reçu un financement du programme de recherche et d’innovation Horizon 2020 de l’Union européenne sous la subvention 101017733. KW a reçu un financement de l’Elemental Strategy Initiative menée par le MEXT, Japon, subvention JPMXP0112101001, subvention JSPS KAKENHI 19H05790 et JP20H00354. .
