disulfure de molybdène

Une impulsion laser frappe un film mince de MoS₂, et à l'intérieur s'échauffe un nuage d'électrons porteurs d'un excès d'énergie. Ces porteurs chauds ressemblent à des coureurs partis à grande vitesse, mais qui devront perdre tout leur élan en chemin à force de collisions avec le réseau cristallin.

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.

Un film transparent d'oxyde de bismuth-tungstène repose sur un substrat et ne conduit pas le courant. Trois minutes dans un nuage de plasma d'azote suffisent pour qu'il noircisse et que sa résistance chute d'un facteur un milliard.

Un bateau en bouteille ne se monte pas de l'extérieur, mais de l'intérieur : on fait passer les mâts et les voiles par le goulot étroit, et une fois à l'intérieur du verre, ils se redressent d'eux-mêmes dans la bonne position.

Une minuscule capsule, semblable à une bulle de savon mais avec une coque de cristaux lumineux, se comporte comme un laser. Tant que sa paroi est intacte, la lumière circule en boucle, s'amplifie et jaillit en un faisceau étroit et brillant. Dès que la paroi éclate, le faisceau se transforme en une tache terne.

Un interféromètre quantique supraconducteur supernova]est un appareil qui détecte des champs magnétiques des milliards de fois plus faibles que celui qui oriente l'aiguille d'une boussole ordinaire. À l'intérieur se trouve un pont étroit où la supraconductivité est interrompue un instant.

Un faisceau lumineux se déplace généralement en ligne droite, mais on peut le faire tourner autour de son axe, comme l'eau qui tourbillonne dans un entonnoir lorsqu'elle s'écoule. Cette lumière « vortex » transporte davantage d'informations et est indispensable pour les communications ultra-rapides et le calcul quantique.

Une maison aux murs de liège qui se recouvre soudain de plaques de cuivre — mais seulement quand le froid s'installe. C'est à peu près ce qui se passe avec le composé FeSb₂ lorsqu'on en fait un film de quelques couches atomiques d'épaisseur.

Un faisceau laser faible tombe sur une minuscule structure — une cavité hybride en métal et en verre. À l'intérieur est piégée une seule molécule fluorescente. D'ordinaire, une telle lumière ne fait que légèrement changer de couleur en se diffusant sur les vibrations thermiques des atomes.

Dans un cristal bidimensionnel de diséléniure de tungstène (WSe₂), la lumière crée des paires — un électron et un trou — qui restent liés. Ces paires sont appelées excitons. Parmi elles, certaines sont « sombres » : elles n'émettent presque pas, mais ce sont elles qui donnent le ton à basse température.

Le cristal uranium-arsenic (UAs2) sous pression se comporte comme une maison à deux pièces. Dans une pièce, les électrons restent sur place ; dans l'autre, ils se déplacent librement. Dans des conditions normales, c'est un classique « Kondo de réseau » : des électrons lourds, presque immobiles, sur les orbitales 5f5/2, sont entourés d'une mer d'électrons de conduction rapides.

D'ordinaire, la lumière ne fait pas d'un isolant un conducteur – il faut de puissantes impulsions laser qui brisent la structure du matériau. Mais dans le graphène bicouche torsadé à angle magique, tout est différent.

Capturer une molécule isolée dans un faisceau lumineux et presque stopper son mouvement est un défi comparable à essayer de retenir un duvet de pissenlit dans un courant d'air. Une particule trop chaude s'échappe du piège, c'est pourquoi les physiciens commencent par calmer son ardeur grâce au refroidissement laser.

Deux feuilles de séléniure de tungstène — non pas en carbone, mais en un composé de tungstène et de sélénium — sont tournées l'une par rapport à l'autre d'un angle minuscule, d'environ 5 degrés. Il en résulte un motif de moiré : un réseau périodique agrandi où les électrons se comportent tout autrement que dans un cristal ordinaire.

La frontière d'un trou noir, c'est comme le bord d'une chute d'eau : une fois franchie, point de retour. Mais contrairement à la chute, cette frontière peut être très fragile : une simple pichenette suffit à la faire disparaître. Les physiciens ont découvert que la stabilité de l'horizon est dictée par un « flux de lumière » imaginaire venu du passé.

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.

Imaginez une enveloppe multicouche où les couches de métal et d'isolant alternent comme les feuilles d'un livre. Une telle structure peut rendre invisible un objet caché à l'intérieur. La lumière la contourne comme l'eau glisse autour d'une pierre lisse : ni ride, ni éclaboussure — ni reflet, ni ombre.

Un film mince de disulfure de molybdène — de moins d'un micron d'épaisseur — fonctionne comme une minuscule usine à paires de photons, intégrée directement dans un connecteur de fibre optique. La fibre optique ordinaire n'est pas qu'un simple fil de verre pour Internet.

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.

Au plus profond sous nos pieds, dans le manteau incandescent, le fer mène une double vie. Il peut être bivalent ou trivalent — comme une pièce qui retombe sur pile ou face. De quel côté penche la balance dépend la quantité d'oxygène qui reste dans l'enveloppe rocheuse de la planète et celle qui part dans le noyau.

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.

Deux feuilles d'une finesse extrême, chacune d'un seul atome d'épaisseur, sont posées l'une sur l'autre et légèrement tournées. Comme deux feuilles de papier calque de couleur : tant qu'elles sont bien alignées, l'image est une, mais dès qu'on les tourne, un motif de moiré apparaît. Ici, certes, le motif n'est pas visible à l'œil, mais il modifie complètement la façon dont le matériau interagit avec la lumière.

Deux feuilles ultraminces, semblables à du mica, reposent l'une sur l'autre. L'une glisse d'une fraction de nanomètre — et un modeste semi-conducteur se transforme en aimant. C'est à peu près ainsi que fonctionnent les matériaux étudiés par les auteurs : des composés lamellaires de niobium et de tantale avec du soufre ou du sélénium.

Deux feuilles de semi-conducteur aussi fines que du papier sont superposées et légèrement tournées — de trois à quatre degrés environ. Les réseaux atomiques ne coïncident pas, et un motif de grande taille apparaît — un moiré, semblable aux ondulations produites par deux planches à laver décalées d'un petit angle.

Un gâteau en couches de plans atomiques de nickel et d'oxygène — c'est ainsi que sont faits les nickelates à double couche. Deux de ces plans sont séparés par une couche intermédiaire. Si un atome d'oxygène se loge dans cette couche, il agit comme un pont : il relie les couches et déclenche un état dans lequel les électrons se déplacent sans résistance.

À l'intérieur d'un supraconducteur, le champ magnétique s'enroule généralement en tubes – des vortex, chacun portant un quantum de flux magnétique. C'est ainsi qu'est constitué le réseau classique d'Abrikosov. Mais dans les cristaux de LiFeAs, le tableau est différent.

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.

Deux feuilles de papier superposées, lorsqu'on les chauffe, commencent à ramper imperceptiblement l'une sur l'autre. C'est à peu près ce que font les couches de disulfure de molybdène, un matériau d'un atome d'épaisseur. À température ambiante, elles glissent spontanément à une vitesse d'environ un mètre par seconde.

Une feuille de tellurure de tungstène d'un atome d'épaisseur ressemble à une fine pellicule : les électrons ne la traversent pas, car une bande interdite sépare leurs états possibles, comme un fossé qu'on ne peut pas sauter. Ajoutez deux couches de plus, et le fossé disparaît : le matériau devient métallique, le courant passe.

La luminescence d'un « sandwich » ultramince composé de deux couches semi-conductrices – du séléniure de molybdène et du séléniure de tungstène – ressemble à une partition complexe : de nombreuses fines raies colorées se fondent dans un arrière-plan commun. Démêler l'origine de chaque raie est presque impossible.

Une feuille de papier ne pèse presque rien, mais si l'on empile cent feuilles, on obtient une liasse bien tangible. C'est à peu près ce qu'ils ont fait avec un matériau qui excelle à convertir une couleur de lumière en une autre, mais seulement lorsqu'il a l'épaisseur d'un atome. Une seule couche, c'est comme une seule feuille : cela fonctionne joliment, mais c'est trop fin pour produire beaucoup de lumière.

Un supraconducteur est un matériau qui, lorsqu'il est fortement refroidi, perd sa résistance électrique : le courant le traverse sans perte. Des scientifiques ont pris un cristal stratifié de PdTe2, semblable à une pile de feuilles de papier, et l'ont refroidi à une température inférieure à 1,8 kelvin (soit environ -271°C).

Frotter un peigne sur de la laine produit une étincelle. Un principe similaire est à l'œuvre dans les nanogénérateurs triboélectriques, des dispositifs qui convertissent les contacts mécaniques en électricité. Le problème, c'est que les matériaux ordinaires ne fournissent qu'une charge faible.

Un transistor classique dans un téléphone est fabriqué dans une chambre à vide, où les atomes se déposent couche par couche. C'est cher et long. Mais l'oxyde d'indium peut s'imprimer comme de l'encre — à partir d'une goutte de métal liquide qui, à l'air libre, se recouvre spontanément d'une fine pellicule d'oxyde. Les auteurs ont pris de l'indium, l'ont fondu et l'ont étalé sur un substrat à 250 degrés.

Une fine pellicule de savon sur la main épouse la forme de la paume, mais dès que l'on serre les doigts, la tension varie de manière inégale. C'est un peu ce qui se passe avec une monocouche de disulfure de molybdène sur un substrat de graphite.

Une feuille de graphène — un treillis de carbone d'un atome d'épaisseur — soumise à un puissant laser se comporte comme une route où surgit soudain une barrière. Les électrons, qui couraient librement à travers le matériau, se heurtent à une zone interdite : un intervalle d'énergies qu'ils ne peuvent pas franchir.

Deux feuilles de graphène — un film de carbone d'un atome d'épaisseur — sans rotation, ressemblent à un port encombré de bancs de sable : les ions lithium soit s'échouent, soit passent en trombe sans s'arrêter. Mais une rotation de 9,43° trace un chenal idéal. Les navires-ion s'amarent solidement aux « quais » de carbone et repartent aussitôt, sans perdre de vitesse.

Un supraconducteur est un matériau qui conduit le courant sans pertes, mais seulement à très basse température. Sur un tel matériau, on a déposé une pellicule de substance magnétique d'un atome d'épaisseur.

Une feuille de graphène d'un atome d'épaisseur, c'est comme un treillis métallique flexible sur lequel les électrons se déplacent presque sans obstacle. Empilez deux de ces feuilles avec un léger décalage, et les propriétés du matériau changent radicalement : il peut devenir un isolant qui ne laisse pas passer le courant.