Des physiciens de l’Université du Wisconsin-Madison ont mesuré directement, pour la première fois à une résolution nanométrique, le flux fluide d’électrons dans le graphène. Les résultats, qui paraîtront dans la revue Science le 17 février, ont des applications dans le développement de nouveaux matériaux à faible résistance, où le transport électrique serait plus efficace.
Le graphène, une feuille de carbone d’une épaisseur atomique disposée en nid d’abeille, est un conducteur électrique particulièrement pur, ce qui en fait un matériau idéal pour étudier le flux d’électrons avec une très faible résistance. Ici, les chercheurs ont intentionnellement ajouté des impuretés à des distances connues et ont découvert que le flux d’électrons passe de gazeux à fluide à mesure que les températures augmentent.
“Tous les matériaux conducteurs contiennent des impuretés et des imperfections qui bloquent le flux d’électrons, ce qui provoque une résistance. Historiquement, les gens ont adopté une approche à faible résolution pour identifier l’origine de la résistance”, explique Zach Krebs, étudiant diplômé en physique à UW-Madison et co- auteur principal de l’étude. “Dans cette étude, nous imaginons comment la charge circule autour d’une impureté et voyons réellement comment cette impureté bloque le courant et provoque une résistance, ce qui n’a jamais été fait auparavant pour distinguer le flux d’électrons de type gazeux et fluide.
Les chercheurs ont intentionnellement introduit des obstacles dans le graphène, espacés à des distances contrôlées, puis ont appliqué un courant à travers la feuille. À l’aide d’une technique appelée potentiométrie à effet tunnel à balayage (STP), ils ont mesuré la tension avec une résolution nanométrique en tous les points du graphène, produisant une carte 2D du modèle de flux d’électrons.
Quel que soit l’espacement des obstacles, la chute de tension à travers le canal était beaucoup plus faible à une température plus élevée (77 kelvins) par rapport à une température plus basse (4 K), indiquant une résistance plus faible avec plus d’électrons passant à travers.
À des températures proches du zéro absolu, les électrons du graphène se comportent comme un gaz : ils diffusent dans toutes les directions et sont plus susceptibles de heurter des obstacles que d’interagir entre eux. La résistance est plus élevée et le flux d’électrons est relativement inefficace. À des températures plus élevées – 77 K ou moins 196 C – le comportement fluide du flux d’électrons signifie qu’ils interagissent davantage les uns avec les autres qu’ils ne heurtent des obstacles, s’écoulant comme de l’eau entre deux rochers au milieu d’un ruisseau. C’est comme si les électrons se communiquaient des informations sur l’obstacle et se détournaient autour des rochers.
“Nous avons fait une analyse quantitative [of the voltage map] et a constaté qu’à la température la plus élevée, la résistance est beaucoup plus faible dans le canal. Les électrons circulaient plus librement et de manière fluide “, explique Krebs. “Le graphène est si propre que nous forçons les électrons à interagir les uns avec les autres avant qu’ils n’interagissent avec quoi que ce soit d’autre, et c’est crucial pour les amener à se comporter comme un fluide.”
Wyatt Behn, ancien étudiant diplômé de l’UW-Madison, est co-premier auteur de cette étude menée dans le groupe du professeur de physique Victor Brar. Le financement a été fourni par le Département américain de l’énergie (DE-SC00020313), l’Office of Naval Research (N00014-20-1-2356) et la National Science Foundation (DMR-1653661).
