graphite

Imaginez un minuscule trou dans une feuille de graphène : un atome de carbone manquant. On pensait jusqu'ici que la molécule d'eau ne se brisait sur ce défaut que seule, dans un gaz sec. Mais si de l'eau liquide clapote tout autour, tout change.

Sur la table repose un morceau de graphite, cultivé à partir de gaz, comme un dépôt sur la paroi d'un réacteur. En général, un tel matériau ne convient pas pour convertir la chaleur en électricité : à l'intérieur, les électrons et les trous courent dans des directions opposées et s'annihilent mutuellement.

La molécule de triptycène évoque une étoile à trois branches rigides. Lorsqu'on dépose ces étoiles sur une surface de plomb, elles s'organisent spontanément en un motif qui rappelle un panier tressé : triangles et hexagones alternent, et à chaque nœud se trouve non pas une étoile, mais une paire.

Dans le monde des matériaux bidimensionnels naissent parfois des états aussi étranges que fragiles. L'un d'eux, le cristal de Hall anormal fractionnaire (FAHC), est tel un centaure quantique : à moitié réseau ordonné, à moitié liquide topologique.

Le graphène, ce cristal de carbone bidimensionnel, a longtemps fait rêver les physiciens d'une supraconductivité à haute température. Ses électrons obéissent à l'équation relativiste de Paul Dirac, filent à une vitesse prodigieuse, presque sans se soucier les uns des autres.

À l'intérieur d'un cristal se déroule un ballet invisible : les moments magnétiques des atomes, tels des danseurs, tantôt s'alignent à l'unisson, tantôt se dispersent en opposition de phase. La chorégraphie est dictée par l'échange quantique — une musique sensible à la géométrie des liaisons.

Un conducteur ionique ressemble à un bus bondé où les passagers (les ions) tentent de se frayer un chemin vers la sortie. On pensait auparavant que pour sortir rapidement, il fallait soit que le bus se balance doucement (réseau souple), soit que les passagers soient dans un désordre chaotique (désordre géométrique).

Un interrupteur qui sait tout seul dans quel sens laisser passer le courant. C'est ainsi que fonctionne une diode Josephson : un pont supraconducteur où le courant circule volontiers dans un sens, mais bute dans l'autre. Dans cette nouvelle étude, un tel pont a été réalisé en graphène, une feuille de carbone d'un seul atome d'épaisseur.

Les électrons dans un cristal évoquent des voitures dans les rues d'une ville : certains filent sur les boulevards, d'autres restent coincés dans les embouteillages. Dans certains réseaux, le mouvement s'arrête complètement : la vitesse cesse de dépendre de l'énergie, et les électrons deviennent « plats ». Ce n'est pas un bouchon, mais un rythme particulier du réseau, où les ondes s'annulent mutuellement.

Du tricot au crochet, mais avec des molécules individuelles au lieu du fil, et une surface d'or en guise de crochet. Jusqu'à présent, les tentatives pour tisser un tissu régulier à partir de telles molécules se soldaient par un échec : les brins s'accrochaient là où il ne fallait pas et le motif se déformait. Une équipe de scientifiques a trouvé le moyen de résoudre ce problème.

Une feuille de graphène est un treillis d'atomes de carbone d'un seul atome d'épaisseur. Si l'on empile plusieurs de ces feuilles avec un décalage particulier, on obtient un matériau aux propriétés inhabituelles : il peut être aimant ou supraconducteur selon la façon dont on le sollicite.

Le graphène est un film de carbone d'une épaisseur d'exactement un atome. Deux de ces feuilles, superposées avec une légère rotation, se comportent très différemment d'une feuille unique. Pour un angle d'environ 1,1 degré, les électrons y ralentissent tellement que le matériau peut devenir supraconducteur ou isolant, selon les conditions. Cet angle est appelé « angle magique ».

Une feuille de graphène d'un atome d'épaisseur est suspendue dans l'air, comme un drap tendu. Des ondes de chaleur la parcourent — des vibrations d'atomes que les physiciens appellent phonons. On pensait auparavant que ces ondes se dissipaient rapidement en raison de fortes interactions, et que la chaleur se transmettait mal.

Une feuille de graphène est un treillis d'atomes de carbone d'un atome d'épaisseur. On y voit les moindres impuretés, comme des poussières sur un verre de lunettes.

Une feuille de graphène d'un atome d'épaisseur, c'est comme une nappe parfaitement lisse sur laquelle roulent des billes électroniques. Placez une barrière électrique sur le chemin de ces billes — normalement, elles rebondissent.

Un supraconducteur est un matériau dans lequel le courant électrique circule sans perte, comme l'eau dans un tuyau parfaitement lisse. Mais si des vortex apparaissent, le courant commence à « trébucher » sur ces minuscules tourbillons. Dans le graphène tordu selon un angle particulier, on peut créer et étudier ces vortex un par un.

Le graphène — carbone en film d'un atome d'épaisseur — est un excellent conducteur. Mais sa surface est ridée, telle une nappe jamais repassée. Les scientifiques ont créé un « sandwich » : deux feuilles de ce type pressées l'une contre l'autre via une couche qui ne laisse pas passer le courant.

On plonge une feuille de graphène dans une solution de sulfate de sodium – un sel ordinaire, proche du sel de table. Près de la surface, l'eau cesse d'être homogène : elle s'organise en couches, comme une pile de crêpes. Entre ces couches et à l'intérieur, se répartissent les ions – les particules chargées issues de la dissociation du sel.

L'hélium sur du graphite se comporte comme un acrobate qui glisse sur un câble tout en gardant sa posture.

Deux graphes sont considérés comme identiques si leur « relief » correspond. Deux cartes avec des montagnes et des vallées : même si le dessin diffère, les hauteurs et les pentes peuvent être les mêmes.

Un couteau suisse, c'est simple : un manche, plusieurs lames, chacune pour une tâche précise. On sort celle qu'il faut, et on travaille. En science des matériaux, les réseaux de neurones graphiques ont longtemps ressemblé à un ensemble d'outils épars : MEGNet traînait dans le tiroir TensorFlow, M3GNet dans celui de PyTorch, et CHGNet dans une boîte à part avec ses propres scripts.