Des physiciens capturent pour la première fois un étrange « papillon » fractal

En utilisant deux feuilles de graphène torsadées, des physiciens ont obtenu les premières mesures directes d’un étrange motif répétitif, prédit pour la première fois il y a près de 50 ans.

Le papillon de Hofstadter

En 1976, Douglas Hofstadter avait prédit que lorsque certains cristaux bidimensionnels étaient exposés à des champs magnétiques, les niveaux d’énergie de leurs électrons produisaient une structure étrange connue sous le nom de fractale, se répétant de façon quasi exacte à toutes les échelles.

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À l’époque, le scientifique américain estimait que les atomes du cristal devraient être incroyablement proches les uns des autres pour que celle-ci apparaisse.

En 2013, des chercheurs ont obtenu pour la première fois des preuves de l’existence de ce motif, connu sous le nom de papillon de Hofstadter, à l’intérieur d’une feuille plane de nitrure de bore. Les mesures réalisées concernaient la résistance globale de ce matériau similaire au graphène, révélatrice de l’activité des électrons mais ne permettant pas d’établir leur niveau exact d’énergie.

Dans le cadre de travaux publiés dans la revue Nature, Ali Yazdani, de l’université de Princeton, et ses collègues ont réalisé les premières mesures précises du papillon de Hofstadter, en utilisant du graphène, qui est essentiellement une couche de graphite (forme de carbone) d’un atome d’épaisseur.

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Angle magique

Lorsqu’une feuille de graphène est placée au-dessus d’une autre selon un angle particulier (dit « magique »), elles produisent des motifs structurels répétitifs uniques et des champs magnétiques qui peuvent conduire à l’apparition de propriétés inattendues, telles que la supraconductivité. Si ces conditions s’avèrent similaires à celles prévues pour le papillon de Hofstadter, les champs magnétiques puissants affectent suffisamment les électrons du graphène pour empêcher leur mesure précise avec un microscope électronique.

En utilisant un angle différent, les auteurs de l’étude ont obtenu des motifs répétitifs plus larges et des champs magnétiques plus faibles permettant d’établir précisément le niveau d’énergie de ces particules subatomiques, et ainsi confirmer expérimentalement l’existence de cette structure fractale.

« J’ai quitté le monde de la physique il y a une cinquantaine d’années, donc je ne suis sans doute pas le mieux placé pour juger leurs travaux, mais je suis ravi de ces confirmations empiriques de la structure que j’avais prédite en 1976 », a commenté Hofstadter.

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L’an passé, une structure fractale microscopique avait été découverte dans la nature pour la première fois.