Le paysage énergétique caché du graphène à la loupe

Le graphène, ce matériau miracle d'un atome d'épaisseur, continue d'étonner par ses propriétés remarquables. Sa conductivité électrique, sa résistance et sa flexibilité en font un candidat de choix pour l'électronique de nouvelle génération.

Lorsque des couches de graphène sont empilées les unes sur les autres et légèrement tournées, les réseaux atomiques créent un motif d'interférence périodique connu sous le nom de motif moiré. Ce motif modifie considérablement le comportement électronique du matériau, conduisant parfois à des phénomènes quantiques exotiques tels que la supraconductivité et le magnétisme. Cependant, sonder directement les détails de ces états quantiques a été un véritable défi.

Il est essentiel de comprendre le comportement des électrons dans ces systèmes de graphène empilés pour concevoir les futurs dispositifs électroniques et quantiques. Mais les techniques conventionnelles peinent à mesurer avec précision les écarts d'énergie et la largeur de bande, paramètres qui dictent la manière dont les électrons se déplacent et interagissent dans ces systèmes. En l'absence d'une méthode fiable pour extraire ces données, les chercheurs ont dû se contenter d'observations indirectes pour reconstituer le puzzle.

Une équipe de scientifiques dirigée par Mitali Banerjee à l'EPFL a maintenant mis au point un moyen direct et précis de mesurer ces propriétés. Leur méthode utilise un dispositif spécialisé de graphène à double grille qui leur permet d'extraire des valeurs d'énergie précises en surveillant la façon dont les électrons répondent à un champ électrique appliqué. Cette technique s'est avérée particulièrement utile pour étudier les systèmes de graphène à bande plate, où les interactions entre électrons dominent, conduisant à des comportements quantiques fascinants.

La nouvelle méthode exploite un phénomène connu sous le nom de spectroscopie des niveaux de Landau, qui permet de cartographier les structures électroniques de manière très détaillée. Dans cette étude, les scientifiques ont utilisé une monocouche de graphène placée au-dessus d'une feuille de graphène bicouche, en tordant soigneusement les couches pour créer un super-réseau moiré. En appliquant une tension à double porte, ils ont pu régler finement les états électroniques et mesurer les écarts d'énergie avec une précision sans précédent.

L'étude a révélé que la bande interdite dans le graphène bicouche change dynamiquement avec le champ électrique appliqué, atteignant son maximum à la même intensité de champ où la largeur de bande est minimisée. Ce comportement correspond directement à l'émergence de phases électroniques fortement corrélées, c'est-à-dire à des situations où les électrons commencent à se comporter collectivement plutôt qu'indépendamment. En outre, l'équipe a réussi à mesurer des états de Hall quantique entiers et fractionnaires, ce qui donne un aperçu essentiel du paysage quantique complexe du graphène.

La compréhension et le contrôle des propriétés électroniques du graphène pourraient avoir un impact sur les technologies futures, des transistors ultra-efficaces aux ordinateurs quantiques. La possibilité de manipuler avec précision les écarts énergétiques et les largeurs de bande pourrait conduire à de nouvelles générations de dispositifs électroniques et optoélectroniques. Enfin, la technique fournit une nouvelle norme pour l'étude de matériaux quantiques similaires au-delà du graphène, ce qui peut conduire à de futures découvertes.

Autres contributeurs

• Institut national pour la science des matériaux (Japon)
• Centre de science et d'ingénierie quantiques de l'EPFL (QSE Center)