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par Tejasri Gururaj, Phys.org
Gauche : vue de dessus du motif de moiré formé en prenant en sandwich du graphène monocouche entre des substrats de nitrure de bore hexagonal (hBN) supérieur et inférieur. Un substrat est aligné avec le graphène monocouche, tandis que le deuxième substrat hbN tourne par rapport au graphène monocouche. À droite : vue latérale de l’hétérostructure de réseau super-moiré vertical montrant les substrats hBN supérieur et inférieur en rouge et le graphène monocouche en noir. Crédit : Mohammed M. Al Ezzi, Junxiong Hu, Ariando Ariando, Francisco Guinea et Shaffique Adam.
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Gauche : vue de dessus du motif de moiré formé en prenant en sandwich du graphène monocouche entre des substrats de nitrure de bore hexagonal (hBN) supérieur et inférieur. Un substrat est aligné avec le graphène monocouche, tandis que le deuxième substrat hbN tourne par rapport au graphène monocouche. À droite : vue latérale de l’hétérostructure de réseau super-moiré vertical montrant les substrats hBN supérieur et inférieur en rouge et le graphène monocouche en noir. Crédit : Mohammed M. Al Ezzi, Junxiong Hu, Ariando Ariando, Francisco Guinea et Shaffique Adam.
Dans une nouvelle étude, des scientifiques de Singapour et d’Espagne ont présenté une nouvelle voie pour explorer la physique exotique du graphène. Ils se concentrent sur les interactions électroniques dans le graphène lorsqu’il est pris en sandwich dans une structure à trois couches qui fournit une plate-forme permettant d’exploiter des configurations de bandes électroniques uniques.
Le graphène est une feuille 2D d’atomes de carbone disposés dans un réseau hexagonal (arrangement) qui présente des propriétés telles qu’une conductivité électrique élevée, une résistance mécanique et une flexibilité. Cela a suscité l’intérêt des scientifiques en tant que candidat prometteur pour les applications électroniques.
Cependant, très peu de choses ont été étudiées sur les propriétés électroniques du graphène monocouche.
Dans ce nouveau Étude sur les lettres d’examen physiqueles chercheurs se sont concentrés sur l’étude de ces propriétés en prenant en sandwich le graphène entre deux couches de nitrure de bore en vrac.
Le travail faisait partie du doctorat du premier auteur, Mohammed M. Al Ezzi. à l’Université nationale de Singapour (NUS), qui travaille actuellement comme post-doctorant sous la direction du professeur Shaffique Adam à la NUS.
Potentiels, motifs et réseaux de moiré
En science des matériaux, différentes couches de matériaux sont empilées les unes sur les autres pour créer une nouvelle structure appelée structure moirée. Ces couches sont mal alignées, conduisant à la formation d’un motif moiré.
Ces couches interagissent les unes avec les autres par l’intermédiaire de diverses forces, en l’occurrence les forces de Van der Waal. Cela conduit à des variations de l’énergie potentielle subie par l’électron au sein du matériau (graphène ou nitrure de bore), connue sous le nom de potentiel de moiré.
Ainsi, le potentiel de moiré résulte de l’interférence entre les arrangements atomiques des deux matériaux, entraînant une modulation périodique de l’énergie potentielle au sein de la couche de graphène.
Ce potentiel de moiré joue un rôle crucial en influençant les propriétés électroniques du matériau et peut conduire à l’émergence de phénomènes uniques tels que des bandes plates et des états topologiques.
Trois couches et bandes topologiques
Les chercheurs proposent une structure à trois couches, avec la couche de graphène au milieu pour induire des bandes topologiques. La structure résultante est connue sous le nom de structure super-moirée.
On l’appelle structure super-moirée car il existe deux structures de moiré distinctes, provenant des substrats supérieur et inférieur de nitrure de bore. Cela donne lieu à une physique exotique, c’est-à-dire non conventionnelle.
Le professeur Adam a expliqué : « En situant le graphène entre les substrats de nitrure de bore et en ajustant l’alignement à des angles de torsion spécifiques, nous pouvons induire des bandes plates topologiques dans le spectre énergétique du graphène. Ces bandes plates, à leur tour, hébergent probablement des états électroniques robustes et fortement corrélés. »
Les bandes topologiques sont un état électronique unique dans un matériau qui possède des propriétés particulières en raison de sa structure inhabituelle. Ils représentent une rupture avec les états électroniques conventionnels comme les conducteurs ou les isolants.
Pour leurs travaux, les chercheurs ont spécifié des angles de torsion de 0 degré pour la couche inférieure de nitrure de bore et d’environ 0,6 degré pour la couche supérieure de nitrure de bore. Ces angles représentent la quantité de rotation appliquée aux calques par rapport à leurs orientations d’origine.
Le modèle des chercheurs pour la structure à trois couches a montré l’existence d’une bande topologique plate en raison du potentiel de moiré.
Ces bandes plates représentent des niveaux d’énergie plats, ce qui signifie que l’énergie des électrons dans ces bandes ne change pas beaucoup à mesure que leur impulsion varie (imaginez-la comme si vous traversiez un plateau).
Physique corrélée et généralisation
La question qui se pose maintenant est la suivante : quelle est la signification de ces bandes plates topologiques ?
L’existence de ces bandes plates est une propriété unique et peut être utilisée pour exploiter différentes propriétés électroniques et donc des applications électroniques uniques.
Par exemple, les isolants topologiques se comportent comme des isolants dans leur masse mais conduisent l’électricité le long de leur surface ou de leurs bords.
Les chercheurs pensent que ces bandes plates topologiques pour le graphène monocouche pourraient donner lieu à une physique corrélée, dans laquelle les électrons se comportent comme une unité collective (via des interactions coulombiennes), donnant naissance à de nouveaux états électroniques, tels que la supraconductivité, le magnétisme et les phases isolantes.
Le professeur Adam a expliqué : « Divers systèmes de moiré constitués de plusieurs feuilles de graphène monocouches ont montré l’émergence d’une physique corrélée et de bandes plates. Cependant, il n’existe actuellement aucune compréhension unifiée de l’émergence de bandes plates et d’une physique corrélée dans ces différents systèmes de moiré.
“Une façon d’avoir une compréhension unifiée de l’émergence des bandes plates et de la physique corrélée dans tous les différents systèmes de moiré à base de graphène consiste à étudier les bandes plates dans une seule feuille monocouche. L’étude d’un seul graphène monocouche peut nous indiquer les ingrédients minimaux à montrer. bandes plates et phases corrélées.
Les chercheurs ont également démontré la généralisation en étendant leurs découvertes à la configuration bicouche et tricouche de graphène, montrant un potentiel de supraconductivité.
Ils ont en outre montré que ces bandes plates topologiques étaient extrêmement stables, ce qui indique leur robustesse et leur fiabilité pour prendre en charge la physique corrélée.
Préserver la qualité et la topologie des transistors
Il existe plusieurs autres méthodes pour induire ces fortes interactions électroniques qui donnent naissance à une physique corrélée. Mais certains d’entre eux peuvent affecter la qualité du graphène lui-même.
“Une méthode courante pour induire de fortes interactions électroniques dans le graphène implique une déformation mécanique. Cependant, cette approche compromet souvent la qualité du graphène et pose des problèmes de contrôle.”
“Notre méthode favorise des interactions électroniques plus fortes en induisant des bandes plates tout en préservant les propriétés intrinsèques de haute qualité du graphène”, a déclaré le professeur Adam.
Les chercheurs sont déjà impliqués dans un société appelée FLEET qui développent des transistors topologiques et espèrent que leur travail avec des bandes plates topologiques pourra aider à réaliser de nouveaux dispositifs.
Les résultats sont passionnants pour le développement d’une nouvelle électronique basée sur le graphène et approfondissent également la compréhension de la physique de la matière condensée et de la physique exotique.
Plus d’information:
Mohammed M. Al Ezzi et al, Bandes plates topologiques dans les treillis de graphène super-moiré, Physical Review Letters (2024). DOI : 10.1103/PhysRevLett.132.126401. Sur arXiv : DOI : 10.48550/arxiv.2306.10116
Informations sur la revue :
arXiv
© 2024 Réseau Science X
2024-04-04 16:25:53
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