Science tordue : une nouvelle règle quantique pour explorer la matière exotique

Joseph A. Stroscio et ses collègues du National Institute of Standards and Technology (NIST), ainsi qu’une équipe internationale de collaborateurs, ont développé une « règle quantique » pour mesurer et explorer les propriétés étranges de ces matériaux tordus. Les travaux pourraient également conduire à un nouvel étalon miniaturisé pour la résistance électrique, capable d’étalonner les appareils électroniques directement dans l’usine, éliminant ainsi le besoin de les envoyer à un laboratoire d’étalonnage hors site.

Le collaborateur Fereshte Ghahari, physicien de l’Université George Mason de Fairfax, en Virginie, a pris deux couches de graphène (appelé graphène bicouche) d’environ 20 micromètres de diamètre et les a tordues par rapport à deux autres couches pour créer un dispositif de matière quantique moirée. Ghahari a fabriqué l’appareil en utilisant les installations de nanofabrication du Center for Nanoscale Science and Technology du NIST. Les chercheurs du NIST, Marlou Slot et Yulia Maximenko, ont ensuite refroidi ce dispositif matériel tordu à un centième de degré au-dessus du zéro absolu, réduisant ainsi les mouvements aléatoires des atomes et des électrons et augmentant la capacité des électrons du matériau à interagir. Après avoir atteint des températures ultra-basses, ils ont examiné comment les niveaux d’énergie des électrons dans les couches de graphène changeaient lorsqu’ils faisaient varier la force d’un champ magnétique externe puissant. La mesure et la manipulation des niveaux d’énergie des électrons sont essentielles à la conception et à la fabrication de dispositifs semi-conducteurs.

Pour mesurer les niveaux d’énergie, l’équipe a utilisé un microscope à effet tunnel polyvalent conçu et construit par Stroscio au NIST. Lorsque les chercheurs ont appliqué une tension aux bicouches de graphène dans le champ magnétique, le microscope a enregistré le minuscule courant provenant des électrons qui « s’échappaient » du matériau jusqu’à la pointe de la sonde du microscope.

Dans un champ magnétique, les électrons se déplacent selon des trajectoires circulaires. Habituellement, les orbites circulaires des électrons dans les matériaux solides ont une relation particulière avec un champ magnétique appliqué : la surface délimitée par chaque orbite circulaire, multipliée par le champ appliqué, ne peut prendre qu’un ensemble de valeurs fixes et discrètes, en raison de la nature quantique des électrons. Afin de maintenir ce produit fixe, si le champ magnétique est réduit de moitié, alors la zone entourée par un électron en orbite doit doubler. La différence d’énergie entre les niveaux d’énergie successifs qui suivent ce modèle peut être utilisée comme des graduations sur une règle pour mesurer les propriétés électroniques et magnétiques du matériau. Tout écart subtil par rapport à ce modèle représenterait une nouvelle règle quantique capable de refléter les propriétés magnétiques orbitales du matériau de moiré quantique particulier étudié par les chercheurs.

En fait, lorsque les chercheurs du NIST ont modifié le champ magnétique appliqué aux bicouches de graphène moiré, ils ont découvert la preuve de l’intervention d’une nouvelle règle quantique. La zone délimitée par l’orbite circulaire des électrons multipliée par le champ magnétique appliqué n’était plus égale à une valeur fixe. Au lieu de cela, le produit de ces deux nombres s’était décalé d’une valeur dépendant de la magnétisation des bicouches.

Cet écart s’est traduit par un ensemble de graduations différentes pour les niveaux d’énergie des électrons. Les résultats promettent d’apporter un nouvel éclairage sur la façon dont les électrons confinés dans des feuilles de graphène torsadées donnent naissance à de nouvelles propriétés magnétiques.

“En utilisant la nouvelle règle quantique pour étudier la façon dont les orbites circulaires varient en fonction du champ magnétique, nous espérons révéler les propriétés magnétiques subtiles de ces matériaux quantiques moirés”, a déclaré Stroscio.

Dans les matériaux quantiques moirés, les électrons ont une gamme d’énergies possibles – hautes et basses, en forme de boîte d’œufs – qui sont déterminées par le champ électrique des matériaux. Les électrons sont concentrés dans les états d’énergie inférieurs, ou vallées, du carton. Le grand espacement entre les vallées dans les bicouches, plus grand que l’espacement atomique dans n’importe quelle couche unique de graphène ou dans plusieurs couches non tordues, explique certaines des propriétés magnétiques inhabituelles découvertes par l’équipe, a déclaré Paul Haney, physicien théoricien du NIST.

Les chercheurs, parmi lesquels des collègues de l’Université du Maryland à College Park et du Joint Quantum Institute, un partenariat de recherche entre le NIST et l’Université du Maryland, ont décrit leurs travaux dans la revue Science.

Étant donné que les propriétés de la matière quantique moirée peuvent être choisies en sélectionnant un angle de torsion spécifique et un nombre de couches atomiquement minces, les nouvelles mesures promettent de fournir une compréhension plus approfondie de la manière dont les scientifiques peuvent adapter et optimiser les propriétés magnétiques et électroniques des matériaux quantiques pour un hôte. d’applications en microélectronique et domaines connexes. Par exemple, les supraconducteurs ultrafins sont déjà connus pour être des détecteurs extrêmement sensibles de photons uniques, et les supraconducteurs à moiré quantique se classent parmi les plus fins.

L’équipe du NIST s’intéresse également à une autre application : dans de bonnes conditions, la matière quantique moirée peut fournir une nouvelle norme plus facile à utiliser pour la résistance électrique.

La présente norme est basée sur les valeurs de résistance discrètes qu’un matériau prend lorsqu’un champ magnétique puissant est appliqué aux électrons dans une couche bidimensionnelle. Ce phénomène, connu sous le nom d’effet Hall quantique, provient des mêmes niveaux d’énergie quantifiés des électrons sur les orbites circulaires évoqués ci-dessus. Les valeurs de résistance discrètes peuvent être utilisées pour calibrer la résistance dans divers appareils électriques. Mais comme un champ magnétique important est nécessaire, les étalonnages ne peuvent être effectués que dans un centre de métrologie tel que le NIST.

Si les chercheurs pouvaient manipuler la matière quantique moirée de manière à ce qu’elle ait une magnétisation nette même en l’absence d’un champ magnétique externe appliqué, a déclaré Stroscio, elle pourrait alors potentiellement être utilisée pour créer une nouvelle version portable de l’étalon de résistance le plus précis, connu sous le nom de l’étalon de résistance Hall quantique anormale. Les étalonnages des appareils électroniques pourraient être effectués sur le site de fabrication, ce qui permettrait d’économiser des millions de dollars.