Des physiciens découvrent un nouvel état électronique étrange dans du graphène

En raison de ses propriétés remarquables, le graphène est souvent présenté comme un matériau miracle. Récemment, une équipe de chercheurs américains a découvert un nouvel état électronique à l’intérieur de celui-ci.

Graphène multi-couche

Le graphène est essentiellement une couche de graphite ordinaire d’un atome d’épaisseur. En dépit de cette finesse, ce matériau se révèle très résistant, supraconducteur et flexible, avec des implications dans un vaste éventail de domaines, de l’électronique à l’aérospatiale. Lorsque plusieurs feuilles du matériau sont empilées et tordues selon des angles spécifiques, d’autres capacités remarquables apparaissent, comme le magnétisme ou la superperméabilité à l’eau.

Dans le cadre de travaux publiés dans la revue Nature, une équipe du MIT en a découvert une autre : le comportement multiferroïque. Un matériau est dit ferroïque lorsque le comportement de ses particules est coordonné : dans un aimant, le spin des électrons est orienté dans la même direction, même en l’absence de champ magnétique externe. Comme leur nom l’indique, leurs homologues multiferroïques en présentent plusieurs : avec par exemple un magnétisme pointant dans une direction et une charge électrique dans une autre.

Une série de simulations a suggéré que dans des circonstances très spécifiques, impliquant ici l’empilement « en losange » de cinq feuilles légèrement décalées, le graphène devait devenir multiferroïque. « Au sein d’un tel environnement, les électrons se déplacent très lentement, ce qui leur permet d’interagir efficacement », illustre Long Ju, auteur principal de l’étude. « C’est à ce moment-là que les effets de corrélation des électrons commencent à dominer et qu’ils peuvent se coordonner dans certains ordres préférentiels, ferroïques. »

L’équipe a entrepris de le vérifier expérimentalement en détachant des flocons de graphène d’un bloc de graphite et en les examinant à l’aide de puissants microscopes, afin de repérer des spécimens à cinq couches, disposés naturellement selon un motif rhomboédrique. Les quelques flocons identifiés ont ensuite été isolés et étudiés à des températures légèrement supérieures au zéro absolu, afin que seuls les effets recherchés soient visibles.

Ferro-valléetricité

S’il s’est avéré que les électrons de ces flocons particuliers réagissaient uniformément à un champ magnétique dans une direction et à un champ électrique dans l’autre, confirmant ainsi leur comportement multiferroïque, leur magnétisme provenait de la coordination des mouvements orbitaux des électrons plutôt que de leur spin. Leur comportement électronique se révélait également inhabituel, avec des électrons se concentrant dans l’une des deux « vallées » (ou états énergétiques les plus bas) disponibles.

« Nous savions que quelque chose d’intéressant se produirait dans cette structure, mais nous ne savions pas exactement quoi, jusqu’à ce que nous la testions », détaille Zhengguang Lu, co-auteur de l’étude. « C’est la première fois que nous observons la ferro-valléetricité, coexistant dans ce cas avec un ferro-magnétisme non conventionnel. »

Les chercheurs affirment que ce comportement étrange pourrait potentiellement être exploité pour doubler la capacité de stockage des puces électroniques.

Par Yann Contegat, le 24 octobre 2023