Des chercheurs de l’université Brown et des collaborateurs ont trouvé un moyen d’observer directement le spin des électrons dans les matériaux 2D tels que le graphène, une propriété jusqu’alors difficile à mesurer dans ces matériaux. L’équipe a utilisé une nouvelle technique de détection de petits changements dans la résistance électronique, ouvrant la voie à des avancées dans l’informatique quantique et les technologies de communication. Crédit : Jia Li/Brown University
Un groupe de scientifiques, dirigé par des chercheurs de l’université Brown, a découvert une solution à un obstacle de longue date dans le domaine de l’électronique bidimensionnelle, en étudiant la structure du spin dans le graphène « à angle magique ».
Au cours des vingt dernières années, les physiciens ont tenté d’influencer directement le spin des électrons dans les matériaux bidimensionnels tels que le graphène. Y parvenir pourrait catalyser des progrès significatifs dans le domaine en plein essor de l’électronique 2D, un domaine dans lequel des dispositifs électroniques ultrarapides, petits et flexibles effectuent des calculs basés sur la mécanique quantique.
Cependant, un obstacle majeur réside dans le fait que la méthode standard utilisée par les scientifiques pour mesurer le spin des électrons – un comportement essentiel qui donne sa structure à tout ce qui existe dans l’univers physique – ne fonctionne généralement pas dans les matériaux 2D.
Il est donc extrêmement difficile de comprendre pleinement ces matériaux et de réaliser des avancées technologiques à partir d’eux. Mais une équipe de scientifiques dirigée par des chercheurs de l’université de Brown pense avoir trouvé une solution à ce problème de longue date. Ils décrivent leur solution dans une nouvelle étude publiée dans Nature Physics.
Dans cette étude, l’équipe – qui comprend également des scientifiques du Center for Integrated Nanotechnologies des Sandia National Laboratories et de l’université d’Innsbruck – décrit ce qu’elle estime être la première mesure montrant une interaction directe entre des électrons tournant dans un matériau 2D et des photons provenant d’un rayonnement micro-ondes. Appelée couplage, l’absorption de photons de micro-ondes par des électrons constitue une nouvelle technique expérimentale permettant d’étudier directement les propriétés de la rotation des électrons dans ces matériaux quantiques 2D, qui pourrait servir de base au développement de technologies de calcul et de communication basées sur ces matériaux, selon les chercheurs.
« La structure du spin est la partie la plus importante d’un phénomène quantique, mais nous n’avons jamais vraiment disposé d’une sonde directe pour l’étudier dans ces matériaux 2D », a déclaré Jia Li, professeur adjoint de physique à Brown et auteur principal de l’étude. « Cette difficulté nous a empêchés d’étudier théoriquement le spin dans ces matériaux fascinants au cours des deux dernières décennies. Nous pouvons désormais utiliser cette méthode pour étudier un grand nombre de 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 torsadées sous le bon angle, convertissant la nouvelle structure bicouche en un supraconducteur qui permet à l’électricité de circuler sans résistance ni perte d’énergie. Découvert en 2018, ce matériau a retenu l’attention des chercheurs en raison de son potentiel et du mystère qui l’entoure.
« Un grand nombre des questions majeures qui ont été posées en 2018 n’ont toujours pas trouvé de réponse », a déclaré Erin Morissette, étudiante diplômée dans le laboratoire de Li à Brown, qui a dirigé les travaux.
Les physiciens utilisent généralement la résonance magnétique nucléaire (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 provoquées par ce rayonnement pour mesurer le spin.
Le problème avec les matériaux 2D est que la signature magnétique des électrons en réponse à l’excitation par micro-ondes 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 subtiles variations de la résistance électronique, causées par les changements d’aimantation dus au rayonnement, à l’aide d’un dispositif fabriqué à l’Institute for Molecular and Nanoscale Innovation (Institut pour l’innovation moléculaire et à l’échelle nanométrique) de Brown. Ces petites variations dans le flux des courants électroniques ont permis aux chercheurs d’utiliser le dispositif pour détecter que les électrons absorbaient les photos du rayonnement micro-ondes.
Les chercheurs ont pu tirer de nouvelles informations de ces 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 dans un système anti-ferromagnétique – ce qui signifie que le magnétisme de certains atomes était annulé par un ensemble d’atomes magnétiques alignés dans une direction opposée.
La nouvelle méthode d’étude du spin dans les matériaux 2D et les résultats actuels ne seront pas applicables à la technologie d’aujourd’hui, mais l’équipe de recherche entrevoit des applications potentielles pour l’avenir. Elle prévoit de continuer à appliquer sa méthode au graphène bicouche torsadé, mais aussi de l’étendre à d’autres matériaux 2D.
« Il s’agit d’un ensemble d’outils très diversifiés 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 M. Morissette.
Référence : « Dirac revivals drive a resonance response in twisted bilayer graphene » par Erin Morissette, Jiang-Xiazi Lin, Dihao Sun, Liangji Zhang, Song Liu, Daniel Rhodes, Kenji Watanabe, Takashi Taniguchi, James Hone, Johannes Pollanen, Mathias S. Scheurer, Michael Lilly, Andrew Mounce et J. I. A. Li, 11 mai 2023, Nature Physics.
DOI: 10.1038/s41567-023-02060-0
L’expérience a été réalisée à distance en 2021 au Centre des nanotechnologies intégrées du Nouveau-Mexique. Mathias S. Scheurer de l’Université d’Innsbruck a apporté un soutien théorique à la modélisation et à la compréhension des résultats. Les travaux ont été financés par la National Science Foundation, le ministère américain de la défense et l’Office of Science du ministère américain de l’énergie.