Un violon de Stradivarius sorti d'une éprouvette : des bandes plates dans le graphène cultivé ✛

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Un violon de Stradivarius ne peut être fabriqué qu'à partir de bois ayant poussé dans des conditions particulières. On a longtemps pensé que le graphène destiné aux effets quantiques délicats devait être exfolié au ruban adhésif à partir de graphite, et qu'un cristal cultivé en éprouvette n'en était pas capable. Ces travaux montrent que du graphène cultivé à partir d'un mélange gazeux a chanté comme un violon de Stradivarius.

Deux cristaux de graphène ont été cultivés sur un même grain de cuivre afin que leurs réseaux soient alignés, puis transférés sur un substrat et assemblés avec une rotation d'environ 1,2 degré. Cet angle est dit magique : à cette valeur, les électrons des deux couches commencent à se déplacer de manière coordonnée, et des bandes plates apparaissent, où leur vitesse chute presque à zéro. C'est dans ces bandes que naissent la supraconductivité et d'autres états inhabituels. Auparavant, on ne les observait que dans des échantillons exfoliés à la main, les films cultivés étant considérés comme trop sales.

La surface de l'échantillon a été nettoyée en la « balayant » avec la pointe d'un microscope à force atomique, puis la structure électronique a été mesurée par photoémission avec un faisceau d'environ un micromètre. Les spectres ont révélé des bandes plates près du niveau de Fermi, et leur largeur s'est avérée être d'environ 24 milliélectronvolts, ce qui est comparable aux meilleurs échantillons exfoliés. L'analyse a mis en évidence un domaine présentant un angle quasi magique de 15 sur 10 micromètres, et un ajustement plus précis a donné une superficie de 84 ± 41 micromètres carrés. C'est comme trouver, dans une forêt artificielle, une parcelle où les arbres sont alignés au centimètre près.

Avant ces travaux, on ignorait si le graphène cultivé pouvait préserver de fragiles bandes plates. On sait désormais que c'est le cas, et la qualité n'a rien à envier à la référence. Il reste un problème : le domaine à angle magique se relaxe progressivement vers un empilement ordinaire, et la longueur de cette transition est de 4,1 micromètres. Mais même une telle zone est suffisante pour y placer des contacts et des grilles et vérifier si les états inhabituels persistent à basse température.

Ainsi, le violon sorti de l'éprouvette a chanté. Il reste à l'accorder pour que le son soit pur sur chaque exemplaire, et pas seulement sur un seul exemplaire chanceux.