Des chercheurs découvrent un nouvel effet quantique dans le graphène bicouche

Des physiciens découvrent un nouvel effet quantique dans le graphène bicouche

Des physiciens de l’Université du Texas à Dallas étudient le comportement exotique du graphène bicouche, qui est une fine couche naturelle de deux atomes d’atomes de carbone disposés en deux réseaux en nid d’abeille empilés ensemble. Les théoriciens de l’UT Dallas, ainsi que des collègues en Allemagne, ont pour la première fois observé un phénomène rare appelé effet Hall anormal quantique dans le graphène bicouche. Les résultats ont été publiés le 6 octobre 2021 dans la revue La nature. Crédit : Université du Texas à Dallas

Des théoriciens de l’Université du Texas à Dallas, ainsi que des collègues allemands, ont pour la première fois observé un phénomène rare appelé effet Hall anormal quantique dans un matériau très simple. Des expériences antérieures ne l’ont détecté que dans des matériaux complexes ou délicats.

Le Dr Fan Zhang, professeur agrégé de physique à l’École des sciences naturelles et mathématiques, est l’auteur d’une étude publiée le 6 octobre dans la revue La nature cela démontre le comportement exotique du graphène bicouche, qui est une fine couche naturelle d’atomes de carbone de deux atomes disposés en deux réseaux en nid d’abeille empilés ensemble.

L’effet Hall quantique est un phénomène macroscopique dans lequel la résistance transversale dans un matériau change par des valeurs quantifiées de manière pas à pas. Il se produit dans des systèmes électroniques bidimensionnels à basse température et sous de forts champs magnétiques. En l’absence d’un champ magnétique externe, cependant, un système 2D peut générer spontanément son propre champ magnétique, par exemple, à travers un ferromagnétisme orbital qui est produit par les interactions entre les électrons. Ce comportement est appelé effet Hall anormal quantique.

« Lorsque le rare effet Hall anormal quantique a été étudié précédemment, les matériaux étudiés étaient complexes », a déclaré Zhang. « En revanche, notre matériau est relativement simple, car il se compose uniquement de deux couches de graphène et se produit naturellement. »

Le Dr Thomas Weitz, auteur de l’étude et professeur à l’Université de Göttingen, a déclaré : « De plus, nous avons découvert de manière assez contre-intuitive que même si le carbone n’est pas censé être magnétique ou ferroélectrique, nous avons observé des signatures expérimentales compatibles avec les deux.

Dans une recherche publiée en 2011, Zhang, un physicien théoricien, a prédit que le graphène bicouche aurait cinq états fondamentaux concurrents, les états les plus stables du matériau qui se produisent à une température proche du zéro absolu (moins 273,15 degrés Celsius ou moins 459,67 degrés Fahrenheit). De tels états sont entraînés par l’interaction mutuelle des électrons dont le comportement est régi par la mécanique quantique et les statistiques quantiques.

« Nous avons prédit qu’il y aurait cinq familles d’états dans le graphène bicouche qui rivaliseraient les uns avec les autres pour être l’état fondamental. Quatre ont été observés dans le passé. C’est le dernier et le plus difficile à observer », a déclaré Zhang.

Dans les expériences décrites dans le La nature article, les chercheurs ont trouvé huit états fondamentaux différents dans cette cinquième famille qui présentent simultanément l’effet Hall anormal quantique, le ferromagnétisme et la ferroélectricité.

« Nous avons également montré que nous pouvions choisir parmi cet octet d’états fondamentaux en appliquant de petits champs électriques et magnétiques externes ainsi qu’en contrôlant le signe des porteurs de charge », a déclaré Weitz.

La capacité de contrôler les propriétés électroniques du graphène bicouche à un degré aussi élevé pourrait en faire un candidat potentiel pour les futures applications d’information quantique à faible dissipation, bien que Zhang et Weitz aient déclaré qu’ils souhaitaient principalement révéler la « beauté de la physique fondamentale ».

« Nous avons prédit, observé, élucidé et contrôlé un octet Hall anormal quantique, où trois phénomènes quantiques frappants – le ferromagnétisme, la ferroélectricité et l’effet Hall quantique à champ zéro – peuvent coexister et même coopérer dans le graphène bicouche », a déclaré Zhang. « Maintenant, nous savons que nous pouvons unifier le ferromagnétisme, la ferroélectricité et l’effet Hall anormal quantique dans ce matériau simple, ce qui est étonnant et sans précédent. »

D’autres auteurs de la La nature l’article comprend Tianyi Xu, doctorant en physique à l’UT Dallas, et des chercheurs de l’Université de Göttingen et de l’Université Ludwig Maximilian de Munich.


Un nouvel effet quantique découvert dans le graphène naturel


Plus d’information:
Fabian R. Geisenhof et al, Octet de Hall anormal quantique piloté par le magnétisme orbital dans le graphène bicouche, La nature (2021). DOI : 10.1038/s41586-021-03849-w

Fourni par l’Université du Texas à Dallas

Citation: Des chercheurs découvrent un nouvel effet quantique dans le graphène bicouche (2021, 5 novembre) récupéré le 5 novembre 2021 sur https://techxplore.com/news/2021-11-quantum-effect-bilayer-graphene.html

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