Des chercheurs formulent des « règles d'or » pour contrôler l'alignement des réseaux supermoirés

29 août 2023

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par l'Université nationale de Singapour

Les physiciens de l'Université nationale de Singapour (NUS) ont développé une technique permettant de contrôler avec précision l'alignement des réseaux supermoirés en utilisant un ensemble de règles d'or, ouvrant ainsi la voie à l'avancement de la matière quantique moirée de nouvelle génération.

Les motifs moirés se forment lorsque deux structures périodiques identiques sont superposées avec un angle de torsion relatif entre elles ou deux structures périodiques différentes mais superposées avec ou sans angle de torsion. L'angle de torsion est l'angle entre les orientations cristallographiques des deux structures. Par exemple, lorsque le graphène et le nitrure de bore hexagonal (hBN), qui sont des matériaux en couches, se superposent, les atomes des deux structures ne s'alignent pas parfaitement, créant un motif de franges d'interférence, appelé motif de moiré.

Il en résulte une reconstruction électronique. Le motif de moiré dans le graphène et le hBN a été utilisé pour créer de nouvelles structures aux propriétés exotiques, telles que les courants topologiques et les états du papillon de Hofstadter. Lorsque deux motifs moirés sont empilés, une nouvelle structure appelée réseau supermoiré est créée (voir figure ci-dessus). Comparé aux matériaux à moiré unique traditionnels, ce réseau supermoiré élargit la gamme de propriétés de matériaux réglables, permettant une utilisation potentielle dans une bien plus grande variété d'applications.

Une équipe de recherche dirigée par le professeur Ariando du Département de physique de NUS a développé une technique et réalisé avec succès l’alignement contrôlé du réseau supermoiré hBN/graphène/hBN. Cette technique permet la disposition précise de deux motifs moirés, l’un sur l’autre. Parallèlement, les chercheurs ont également formulé la « règle d'or de trois » pour guider l'utilisation de leur technique de création de réseaux supermoirés. Les résultats ont été publiés dans la revue Nature Communications.

La création d’un réseau de graphène supermoiré présente trois défis principaux. Premièrement, l’alignement optique traditionnel dépend fortement des bords droits du graphène, mais la recherche d’un flocon de graphène approprié prend beaucoup de temps et de main d’œuvre ; Deuxièmement, même si l’échantillon de graphène à bords droits est utilisé, il existe une faible probabilité de 1/8 d’obtenir un réseau supermoiré à double alignement, en raison de l’incertitude quant à la chiralité des bords et à la symétrie du réseau. Troisièmement, bien que la chiralité des bords et la symétrie du réseau puissent être identifiées, les erreurs d’alignement s’avèrent souvent importantes (supérieures à 0,5 degrés), car il est physiquement difficile d’aligner deux matériaux de réseau différents.

Le Dr Junxiong Hu, l'auteur principal du document de recherche, a déclaré : « Notre technique aide à résoudre un problème réel. De nombreux chercheurs m'ont dit qu'il leur fallait généralement près d'une semaine pour prélever un échantillon. Avec notre technique, ils peuvent non seulement raccourcit considérablement le temps de fabrication, mais améliore également considérablement la précision de l'échantillon.

Les chercheurs utilisent au début une technique de rotation de 30 degrés pour contrôler l’alignement des couches supérieures de hBN et de graphène. Ensuite, ils utilisent une technique de retournement pour contrôler l’alignement des couches supérieure et inférieure de hBN. Sur la base de ces deux méthodes, ils peuvent contrôler la symétrie du réseau et ajuster la structure de bande du réseau de graphène supermoiré. Ils ont également montré que le bord voisin en graphite peut servir de guide pour l’alignement de l’empilement. Dans cette étude, ils ont fabriqué 20 échantillons de moiré avec une précision supérieure à 0,2 degré.