Le graphène donne des pouvoirs tordus au graphite 3D

L’empilement de deux feuilles de graphène légèrement de travers l’une sur l’autre a conduit ces dernières années à une physique phénoménale, notamment une supraconductivité accordable, une mémoire quantique et de nouveaux états étranges de la matière impliquant des amas d’électrons « en flaques d’eau ». Le comportement curieux de ces systèmes se manifeste avec un angle de « torsion » entre le motif hexagonal des deux feuilles aussi petit que 1,1 degrés. Et avec l’apparition de tant de nouvelles physiques, les applications technologiques du graphène bicouche torsadé commencent seulement à être imaginées, avec de mystérieuses propriétés thermiques, optiques, électroniques, matérielles et autres qui ne demandent qu’à être développées.

Aujourd'hui, des scientifiques aux États-Unis et au Royaume-Uni ont commencé à explorer les limites extérieures de ces systèmes 2D empilés : et si une seule des deux couches de ces bicouches avait une épaisseur d'un atome ? Combien de couches peuvent être ajoutées à la masse jusqu'à ce que la magie des bicouches disparaisse ? À la grande surprise de ces chercheurs, certaines propriétés des bicouches ont persisté même à l’intérieur d’épais empilements de graphite tridimensionnels.

Les comportements étranges observés aujourd’hui dans le graphite et le graphène incitent les chercheurs à revisiter les propriétés étranges du graphite ordinaire, observées depuis les années 1970.

"Pendant un certain temps, l'opinion commune était que s'il s'agissait d'un métal comportant de nombreuses couches, il se comportait comme s'il était tridimensionnel", explique Vladimir Falko, professeur de physique théorique à l'Université de Manchester, en Angleterre. "Il était assez inhabituel de voir que dans un film de graphite aussi épais, il était possible de voir le comportement bidimensionnel."

Dans leur quête pour comprendre les limites des comportements quantiques des couches minces, des équipes de recherche de l’Université de Washington et de l’Université de Manchester ont chacune créé deux configurations légèrement différentes. Le groupe de l’Université de Washington a surmonté une épaisse pile de graphite avec une seule couche de graphène, légèrement tordue. L’équipe de l’Université de Manchester a utilisé un empilement de graphite similaire, mais l’a recouvert d’une seule couche de feuille bidimensionnelle de nitrure de bore.

Les deux approches créent la même structure entre les deux couches supérieures de leur pile, ce qu'on appelle un super-réseau moiré. C'est ce qu'on appelle un super-réseau car l'angle incompatible entre les deux couches ajoute de nouveaux types de motifs de type moiré au système. Avec une couche supérieure de graphène torsadé, le décalage provient de l'angle de torsion entre les cellules hexagonales de chaque feuille, alors qu'avec une couche supérieure de nitrure de bore, le décalage provient des espacements de réseau légèrement différents du nitrure de bore et du graphite en dessous.

Lorsqu'ils sont soumis à des champs magnétiques puissants, les super-réseaux moirés subissent des transformations remarquables en raison de l'espacement considérablement accru des réseaux. Dans ce scénario, un flux magnétique beaucoup plus important peut désormais percer une seule plaquette de réseau, transformant encore davantage les propriétés déjà étranges du matériau. À mesure que le champ est ajusté, la conductivité de la feuille oscille périodiquement, un phénomène connu sous le nom d'oscillations de Brown-Zak.

Les chercheurs ne s’attendaient pas à ce que leurs épais empilements de graphène avec une seule couche de super-réseau moiré au sommet présentent de tels effets. Après tout, les phénomènes décrits ci-dessus n’avaient été observés qu’avec une paire (ou un petit réseau) de feuilles 2D superposées. Un morceau de graphite en 3D constituait un tout nouveau terrain. Et les équipes avaient toutes les raisons de soupçonner que les étranges comportements quantiques ne seraient tout simplement pas visibles dans le système. Néanmoins, alors qu'ils ajustaient leurs champs magnétiques, les chercheurs ont observé des oscillations de la conductivité de l'ensemble de la pile, des oscillations Brown-Zak caractéristiques des matériaux moirés bidimensionnels.

"Si vous avez 18 couches de graphite et que vous tordez une seule de ces couches de 1 degré, vous n'apportez pas vraiment de changement structurel très important au matériau", explique Matthew Yankowitz, qui a dirigé les efforts de l'Université de Washington. « Mais l'ensemble de la pile de graphite se comporte essentiellement comme un matériau moiré, même s'il s'agit d'un matériau tridimensionnel. C’est donc, je pense, une nouvelle idée géniale.