Avec une nouvelle méthode expérimentale, des chercheurs sondent pour la première fois la structure de spin dans des matériaux 2D

Un obstacle est que la manière typique dont les scientifiques mesurent le spin des électrons – un comportement essentiel qui donne à tout dans l’univers physique sa structure – ne fonctionne généralement pas dans les matériaux 2D. Il est donc extrêmement difficile de comprendre pleinement les matériaux et de faire avancer les avancées technologiques basées sur eux. Mais une équipe de scientifiques dirigée par des chercheurs de l’Université Brown pense qu’ils ont maintenant un moyen de contourner ce défi de longue date. Ils décrivent leur solution dans une nouvelle étude publiée dans Physique naturelle.

Dans l’étude, l’équipe – qui comprend également des scientifiques du Centre pour les nanotechnologies intégrées des laboratoires nationaux Sandia et de l’Université d’Innsbruck – décrit ce qu’elle pense être la première mesure montrant une interaction directe entre les électrons tournant dans un matériau 2D et photons provenant du rayonnement micro-onde. Appelée couplage, l’absorption des photons micro-ondes par les électrons établit une nouvelle technique expérimentale pour étudier directement les propriétés de rotation des électrons dans ces matériaux quantiques 2D — une technique qui pourrait servir de base au développement de technologies informatiques et communicationnelles basées sur ces matériaux, selon les chercheurs.

“La structure de spin est la partie la plus importante d’un phénomène quantique, mais nous n’avons jamais vraiment eu de sonde directe pour cela dans ces matériaux 2D”, a déclaré Jia Li, professeur adjoint de physique à Brown et auteur principal de la recherche. “Ce défi nous a empêchés d’étudier théoriquement le spin dans ces matériaux fascinants au cours des deux dernières décennies. Nous pouvons maintenant utiliser cette méthode pour étudier de nombreux systèmes différents que nous ne pouvions pas étudier auparavant.”

Les chercheurs ont effectué les mesures sur un matériau 2D relativement nouveau appelé graphène bicouche torsadé « à angle magique ». Ce matériau à base de graphène est créé lorsque deux feuilles de couches ultrafines de carbone sont empilées et tordues à l’angle idéal, convertissant la nouvelle structure à double couche en un supraconducteur qui permet à l’électricité de circuler sans résistance ni gaspillage d’énergie. Tout juste découvert en 2018, les chercheurs se sont concentrés sur le matériau en raison du potentiel et du mystère qui l’entourent.

“Beaucoup de questions majeures qui ont été posées en 2018 n’ont toujours pas de réponse”, a déclaré Erin Morissette, une étudiante diplômée du laboratoire de Li à Brown qui a dirigé les travaux.

Les physiciens utilisent généralement la résonance magnétique nucléaire ou RMN pour mesurer le spin des électrons. Pour ce faire, ils excitent les propriétés magnétiques nucléaires d’un échantillon de matériau à l’aide d’un rayonnement micro-ondes, puis lisent les différentes signatures que ce rayonnement provoque pour mesurer le spin.

Le défi avec les matériaux 2D est que la signature magnétique des électrons en réponse à l’excitation micro-onde est trop petite pour être détectée. L’équipe de recherche a décidé d’improviser. Au lieu de détecter directement l’aimantation des électrons, ils ont mesuré les changements subtils de la résistance électronique, qui ont été causés par les changements d’aimantation du rayonnement à l’aide d’un appareil fabriqué à l’Institute for Molecular and Nanoscale Innovation de Brown. Ces petites variations dans le flux des courants électroniques ont permis aux chercheurs d’utiliser l’appareil pour détecter que les électrons absorbaient les photos du rayonnement micro-ondes.

Les chercheurs ont pu observer de nouvelles informations issues des expériences. L’équipe a remarqué, par exemple, que les interactions entre les photons et les électrons faisaient que les électrons dans certaines sections du système se comportaient comme ils le feraient dans un système anti-ferromagnétique, ce qui signifie que le magnétisme de certains atomes était annulé par un ensemble d’atomes magnétiques qui sont alignés en sens inverse.

La nouvelle méthode d’étude du spin dans les matériaux 2D et les découvertes actuelles ne seront pas applicables à la technologie d’aujourd’hui, mais l’équipe de recherche voit des applications potentielles auxquelles la méthode pourrait conduire à l’avenir. Ils prévoient de continuer à appliquer leur méthode au graphène bicouche torsadé, mais également de l’étendre à d’autres matériaux 2D.

“C’est un ensemble d’outils très diversifié que nous pouvons utiliser pour accéder à une partie importante de l’ordre électronique dans ces systèmes fortement corrélés et en général pour comprendre comment les électrons peuvent se comporter dans les matériaux 2D”, a déclaré Morissette.

L’expérience a été réalisée à distance en 2021 au Center for Integrated Nanotechnologies du Nouveau-Mexique. Mathias S. Scheurer de l’Université d’Innsbruck a fourni un soutien théorique pour la modélisation et la compréhension du résultat. Le travail comprenait un financement de la National Science Foundation, du département américain de la Défense et de l’Office of Science du département américain de l’Énergie.