Une impulsion laser frappe une couche d'argent d'un atome d'épaisseur déposée sur un graphène bicouche — et en un quadrillionième de seconde, une bande interdite apparaît dans la structure électronique du graphène, là où il n'y en avait pas. C'est comme si un fil conducteur devenait soudain un semi-conducteur : les électrons ne circulent plus librement, une bande interdite se forme.

La cause est un transfert de charge entre les couches. La lumière arrache des électrons, qui sautent de l'argent vers le graphène, et le champ électrique à l'interface change. Ce champ agit comme une grille ultra-rapide : il réorganise les bandes d'énergie du graphène, ouvrant une bande interdite. En même temps, une multitude d'électrons chauds sont créés, renforçant l'écrantage — la capacité des charges à atténuer les champs externes. L'écrantage, telle une couverture, amortit le champ, et la bande se referme, devenant même plus étroite qu'à l'état calme.

L'expérience a été menée par spectroscopie de photoémission résolue en temps et en angle. Une impulsion laser brève arrache des électrons de l'échantillon, et un détecteur les capture un par un, mesurant leur énergie et leur direction. On peut ainsi suivre la structure électronique en temps réel, image par image, avec un pas de quelques femtosecondes. Le graphène bicouche de cette étude est empilé d'une manière particulière — en empilement de Bernal, où les couches sont légèrement décalées l'une par rapport à l'autre, comme des briques dans un mur.

Deux mécanismes — le transfert de charge et les électrons chauds — agissent en sens opposés. Le premier ouvre la bande interdite, le second la referme. En contrôlant l'intensité et la durée de l'impulsion, on peut choisir lequel des deux processus l'emporte. Cela donne aux physiciens un outil pour contrôler ultra-rapidement les propriétés du graphène, et à terme, pour créer des transistors optiques fonctionnant à des fréquences inaccessibles à l'électronique conventionnelle. La même approche pourrait servir à étudier des états quantiques exotiques dans le graphène bicouche hors équilibre.