Une nouvelle phase topologique pour le graphène

Publié par Redbran le 22/05/2020 à 13:00
Source: CNRS INP
Les isolants topologiques forment une nouvelle classe de matériaux d'avenir, notamment pour les technologies quantiques. En jouant de façon inédite sur ses propriétés électroniques, des chercheurs ont réussi à fabriquer une nouvelle phase topologique pour le graphène (Cet article ne doit pas être confondu avec l’article graphème.), associant ainsi de façon prometteuse les qualités du graphène et celles des isolants topologiques.


A gauche, schéma de principe de l'échantillon de graphène encapsulé entre deux feuillets de nitrure de bore (Le bore est un élément chimique de symbole B et de numéro atomique 5.) (BN) et déposé sur un substrat de titanate de strontium (Le strontium est un élément chimique, de symbole Sr et de numéro atomique 38. Le strontium, comme le calcium, est un alcalino-terreux. Il est mou, malléable, gris-jaune. Au contact avec l'air il...) (SrTiO3).
A droite, représentation schématique du feuillet de graphène et des canaux de conduction existant au bord pour la nouvelle phase (Le mot phase peut avoir plusieurs significations, il employé dans plusieurs domaines et principalement en physique :) topologique composée d'une paire (On dit qu'un ensemble E est une paire lorsqu'il est formé de deux éléments distincts a et b, et il s'écrit alors :) de canaux de conduction hélicoïdaux se propageant avec une direction opposée, le long des bords du graphène. Les flèches rouges et bleues perpendiculaires au feuillet représentent les deux directions possibles du spin (Le spin est une propriété quantique intrinsèque associée à chaque particule, qui est caractéristique de la nature de la particule, au même titre que sa masse et sa charge électrique. Comme la...) des électrons, et les flèches dans le plan du feuillet représentent la direction de l'impulsion des d'électrons.

Les isolants topologiques ont la propriété d'être isolants en volume (Le volume, en sciences physiques ou mathématiques, est une grandeur qui mesure l'extension d'un objet ou d'une partie de l'espace.) et conducteurs en surface (Une surface désigne généralement la couche superficielle d'un objet. Le terme a plusieurs acceptions, parfois objet géométrique, parfois frontière physique, et est souvent abusivement...), avec des propriétés quantiques très spécifiques. Par ailleurs, le graphène, matériau (Un matériau est une matière d'origine naturelle ou artificielle que l'homme façonne pour en faire des objets. C'est donc une matière de base sélectionnée en raison...) bidimensionnel formé d'une couche unique d'atomes (Un atome (du grec ατομος, atomos, « que l'on ne peut diviser ») est la plus petite partie d'un corps simple pouvant se combiner...) de carbone (Le carbone est un élément chimique de la famille des cristallogènes, de symbole C, de numéro atomique 6 et de masse atomique 12,0107.), est un matériau conducteur aux atouts multiples pour les nouvelles technologies. Il possède notamment des propriétés intéressantes liées à sa structure de bande, c'est-à-dire à la relation en forme de cône qui existe entre l'énergie (Dans le sens commun l'énergie désigne tout ce qui permet d'effectuer un travail, fabriquer de la chaleur, de la lumière, de produire un mouvement.) et l'impulsion des électrons. Lorsqu'un feuillet de graphène parcouru par un courant est soumis à un champ magnétique (En physique, le champ magnétique (ou induction magnétique, ou densité de flux magnétique) est une grandeur caractérisée par la donnée d'une intensité et d'une direction, définie en tout point de...) intense qui lui est perpendiculaire (En géométrie plane, on dit que deux droites sont perpendiculaires quand elles se coupent en formant un angle droit. Le terme de perpendiculaire vient du latin per-pendiculum (fil à plomb) et justifie la...), un effet dit effet Hall (L'effet Hall classique a été découvert en 1879 par Edwin Herbert Hall : un courant électrique traversant un matériau baignant dans un champ magnétique engendre une tension perpendiculaire à ceux-ci.) quantique conduit à l'apparition de charges opposées sur les deux bords du feuillet parallèles au courant et à une conductance quantifiée. Cet effet Hall quantique est spécifique aux matériaux (Un matériau est une matière d'origine naturelle ou artificielle que l'homme façonne pour en faire des objets.) bidimensionnels et s'explique par la façon dont les niveaux d'énergie associés au mouvement de giration des électrons autour (Autour est le nom que la nomenclature aviaire en langue française (mise à jour) donne à 31 espèces d'oiseaux qui, soit appartiennent au genre Accipiter, soit constituent les 5 genres Erythrotriorchis, Kaupifalco,...) du champ (Un champ correspond à une notion d'espace défini:) magnétique (niveaux de Landau) se positionnent dans la structure de bande. Remarquablement, dans le cas du graphène, cet effet existe même à température (La température est une grandeur physique mesurée à l'aide d'un thermomètre et étudiée en thermométrie. Dans la vie courante, elle est...) ambiante.

Il existe un autre effet Hall quantique, l'effet Hall de spin quantique, obtenu généralement à très basse température, dans lequel le champ magnétique est remplacé par le couplage entre le spin et le mouvement orbital de l'électron (L'électron est une particule élémentaire de la famille des leptons, et possèdant une charge électrique élémentaire de signe négatif. C'est un des composants de...) (couplage spin-orbite) et les charges apparaissant sur les bords deviennent polarisées en spin. La théorie (Le mot théorie vient du mot grec theorein, qui signifie « contempler, observer, examiner ». Dans le langage courant, une théorie est une idée ou une connaissance spéculative, souvent basée sur...) prédit que le feuillet de graphène devient alors un isolant (Un isolant est un matériau qui permet d'empêcher les échanges d'énergie entre deux systèmes. On distingue : les isolants électriques, les isolants thermiques, les isolants phoniques et les isolants mécaniques. Le...) topologique, conducteur seulement sur les bords. Alors que l'effet Hall quantique a été abondamment étudié expérimentalement pour le graphène, cette phase topologique prévue avec l'effet Hall de spin quantique n'a jusqu'à présent pas été observée.

Avec une approche radicalement nouvelle, des physiciens de l'Institut (Un institut est une organisation permanente créée dans un certain but. C'est habituellement une institution de recherche. Par exemple, le Perimeter Institute for Theoretical...) Néel (CNRS) à Grenoble, en collaboration avec le Laboratoire national des champs magnétiques intenses (LNCMI-Grenoble, CNRS) et avec des chercheurs chinois et japonais, ont créé une nouvelle phase topologique du graphène, celle qui était recherchée avec l'effet Hall de spin quantique. Pour cela, au lieu de chercher à contrôler le couplage spin - orbite (En mécanique céleste, une orbite est la trajectoire que dessine dans l'espace un corps autour d'un autre corps sous l'effet de la gravitation.) au sein du graphène, ils sont partis de l'effet Hall quantique et ils ont cherché à contrôler les interactions coulombiennes en couplant un feuillet de graphène avec un substrat de titanate de strontium. Ils ont ainsi obtenu cette nouvelle phase qui cumule les avantages d'être extrêmement robuste, de nécessiter des champs magnétiques modérés, et d'être est stable jusqu'à une température de 110 kelvins. Ces résultats sont publiés dans la revue Science.

La nouveauté de l'approche a consisté à placer le feuillet de graphène à proximité d'un substrat à très forte constante diélectrique (La constante diélectrique ou constante électrique, également nommée permittivité du vide ou encore permittivité diélectrique du vide, est une constante...), le titanate de strontium (SrTiO3, er ≈ 10 000). La distance entre les deux matériaux est contrôlée par l'intercalation d'une mince couche de nitrure de bore hexagonal (h-BN). Ce contrôle (Le mot contrôle peut avoir plusieurs sens. Il peut être employé comme synonyme d'examen, de vérification et de maîtrise.) permet de jouer sur la structure de bande du graphène en jouant sur les interactions coulombiennes entre les électrons via l'écrantage par le substrat. Pour de faibles épaisseurs de la couche de h-BN (≲10 nm), il apparaît alors une séparation (D'une manière générale, le mot séparation désigne une action consistant à séparer quelque chose ou son résultat. Plus particulièrement il est employé dans plusieurs domaines :) des spins qui confère au graphène les mêmes propriétés que celles de l'effet Hall de spin quantique. Une paire de canaux de conduction unidimensionnels de spins opposés apparaît alors sur chaque bord du feuillet. Un tel arrangement (La notion d'arrangement est utilisée en probabilités, et notamment pour les dénombrements en analyse combinatoire.) est dit hélicoïdal dans la mesure où la direction du spin est liée à celle de l'impulsion. C'est cette propriété qui limite la diffusion (Dans le langage courant, le terme diffusion fait référence à une notion de « distribution », de « mise à disposition » (diffusion d'un produit, d'une information), voire de « vaporisation » (diffuseur d'un...) des électrons d'un canal à l'autre et qui confère les propriétés de cohérence quantique à l'état topologique. La réalisation de cet état nécessitait de positionner exactement une couche de h-BN extrêmement fine et pure entre le graphène et le substrat de SrTiO3 pour bénéficier de l'effet d'écrantage et réaliser ce contrôle inédit des interactions coulombiennes dans le graphène.

De par sa relative simplicité de fabrication et sa compatibilité avec des matériaux magnétiques ou supraconducteurs, cette phase topologique du graphène a des perspectives d'application considérables, surpassant nombre (La notion de nombre en linguistique est traitée à l’article « Nombre grammatical ».) de matériaux isolants topologiques connus jusqu'à présent. En la couplant à des électrodes supraconductrices elle pourrait par exemple permettre la fabrication d'états quantiques protégés, les fermions de Majorana, utilisables pour les futures générations d'ordinateurs quantiques.

Référence:
Helical quantum Hall phase in graphene on SrTiO3. L. Veyrat, C. Déprez, A. Coissard, X. Li, F. Gay, K. Watanabe, T. Taniguchi, Z. Han, B. Piot, H. Sellier et B. Sacépé, Science, le 14 février 2020.
DOI: 10.1126/science.aax8201
Article disponible sur les bases d'archives ouvertes HAL et arXiv.

Contact:
- Benjamin Sacépé - Chargé de recherche (La recherche scientifique désigne en premier lieu l’ensemble des actions entreprises en vue de produire et de développer les connaissances...) au CNRS (Le Centre national de la recherche scientifique, plus connu sous son sigle CNRS, est le plus grand organisme de recherche scientifique public français (EPST).), Institut Néel - benjamin.sacepe at neel.cnrs.fr
- Benjamin Piot - Chargé de recherche au CNRS, Laboratoire national des champs magnétiques intenses- benjamin.piotatlncmi.cnrs.fr
- Communication (La communication concerne aussi bien l'homme (communication intra-psychique, interpersonnelle, groupale...) que l'animal (communication intra- ou inter- espèces) ou la machine (télécommunications,...) INP - inp.com at cnrs.fr
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