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Empiler et torsionner le graphène fait apparaître un type rare de magnétisme

apparition type rare magnétisme graphène couv
| iStock/Red_spy

Depuis la découverte du graphène il y a plus de quinze ans, physiciens et ingénieurs s’emploient à essayer de découvrir toutes ses propriétés. En effet, la structure atomique du graphène offre un large éventail d’applications allant de la filtration à la détection quantique en passant par le stockage d’énergie. Récemment, une équipe de physiciens a découvert qu’en empilant des couches de graphène, et en les tordant dans des angles précis, un type particulier et rare de magnétisme apparaissait dans le matériau. Un résultat qui pourrait avoir d’importantes applications en matière de stockage d’informations.

Une équipe de chercheurs de l’Université de Columbia et de l’Université de Washington a découvert qu’une variété d’états électroniques exotiques, y compris une forme rare de magnétisme, peuvent apparaître dans une structure de graphène à trois couches. Le travail a été inspiré par des études récentes de monocouches torsadées ou de bicouches torsadées de graphène, comprenant deux ou quatre feuilles au total. On a découvert que ces matériaux hébergeaient un éventail d’états électroniques inhabituels entraînés par de fortes interactions entre électrons.

« Nous nous demandions ce qui se passerait si nous combinions des monocouches et des bicouches de graphène dans un système à trois couches torsadées. Nous avons constaté que la variation du nombre de couches de graphène confère à ces matériaux composites de nouvelles propriétés intéressantes qui n’avaient pas été vues auparavant », explique Cory Dean, professeur de physique à l’Université Columbia.

Maîtriser les états du graphène grâce aux champs électriques

Pour mener leur expérience, les chercheurs ont empilé une feuille monocouche de graphène sur une feuille bicouche et les ont tordues d’environ 1 degré. À des températures de quelques degrés au-dessus du zéro absolu, l’équipe a observé une série d’états isolants — qui ne conduisent pas l’électricité — entraînés par de fortes interactions entre électrons. Ils ont également découvert que ces états pouvaient être contrôlés en appliquant un champ électrique à travers les feuilles de graphène.

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Lorsque les chercheurs ont pointé le champ électrique vers la feuille de graphène monocouche, le système ressemblait à du graphène bicouche torsadé. Mais quand ils ont inversé la direction du champ électrique et l’ont dirigé vers la feuille de graphène bicouche, il a imité le graphène bicouche torsadé — la structure à quatre couches.

L’apparition d’un magnétisme dans le graphène

L’équipe a également découvert de nouveaux états magnétiques dans le système. Contrairement aux aimants conventionnels, qui sont entraînés par une propriété quantique des électrons appelée « spin », un mouvement tourbillonnant collectif des électrons dans la structure à trois couches sous-tend le magnétisme.

magnétisme graphène rotation collective électrons
Lorsqu’il est empilé et torsadé, un type particulier de magnétisme résultant de rotations collectives des électrons apparaît dans le graphène. Crédits : Columbia University

Cette forme de magnétisme a été découverte récemment par d’autres chercheurs dans diverses structures de graphène reposant sur des cristaux de nitrure de bore. L’équipe a maintenant démontré qu’il peut également être observé dans un système plus simple construit entièrement avec du graphène. « Le carbone pur n’est pas magnétique. Toutefois, nous pouvons générer cette propriété en disposant nos trois feuilles de graphène juste aux bons angles de torsion », indique Yankowitz.

En plus du magnétisme, l’étude a révélé des signes de topologie dans la structure. Semblable au fait de nouer différents types de nœuds sur une corde, les propriétés topologiques du matériau peuvent conduire à de nouvelles formes de stockage d’informations, qui peuvent être une plate-forme pour le calcul quantique ou de nouveaux types d’applications de stockage de données écoénergétiques.

Sources : Nature Physics

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