graphène bicouche torsadé

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.

Une serrure avec deux clés différentes : l'une tourne facilement, l'autre demande un effort notable. C'est ce que l'on observe avec deux couches de nitrure de bore hexagonal lorsqu'on les fait pivoter l'une par rapport à l'autre.

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.

Un jeu de cartes où chaque carte est légèrement tournée ne peut pas reposer à plat : les dos et les motifs ne coïncident jamais. Mais si les cartes sont souples, elles commencent à s'ajuster, se décalant de fractions de millimètre pour trouver la correspondance parfaite.

Trois voix qui se fondent en un seul accord. En physique des matériaux quantiques, cette image prend un sens littéral : trois couches de graphène, séparées par de minces espaceurs, forcent les électrons et les trous de différentes couches à se déplacer comme un seul liquide.

Le miroir fonce à près de quarante mille kilomètres par seconde. La lumière qui l'atteint rebondit, mais transformée — comme une balle renvoyée par une raquette en mouvement. C'est un tel miroir que des scientifiques ont construit à l'intérieur d'un fil de verre ultra-fin rempli d'hydrogène.

Dans un couloir étroit, les gens ne marchent pas en foule mais en rangées. Le nombre de rangées dépend de la largeur du passage. Dans le graphène, ce couloir est joué par un contact ponctuel quantique — une constriction où les électrons se déplacent balistiquement, sans diffusion.

Un tuyau d'eau : plus il est large, plus l'eau passe. Dans les contacts supraconducteurs — les jonctions Josephson (des ponts où le courant circule sans résistance) — c'est généralement pareil : plus le matériau conduit bien à l'état normal, plus le courant supraconducteur qui le traverse est grand.

Dans les fines couches d'un cristal de séléniure de tantale (TaSe₂) se cache une propriété qui défie la physique conventionnelle. Lorsque des atomes invités ont été ajoutés entre les couches de ce matériau, la structure a perdu son centre de symétrie — et une supraconductivité blindée est apparue à l'intérieur.

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.

Un mince sandwich de deux matériaux différents. On y fait passer un courant électrique – et la couche supérieure s'aimante dans un sens, la couche inférieure dans le sens opposé. Ce n'est pas un tour de magie, mais l'effet Edelstein de couche (de l'anglais layer Edelstein effect), que des physiciens viennent de décrire.

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.

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.

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.

Un fil téléphonique fortement torsadé finit par lâcher et projette des étincelles. C'est exactement ce qui se passe avec les champs magnétiques sur le Soleil : ils se tordent, se déchirent et se reconnectent, alimentant les éruptions. Pour la première fois, des astronomes ont observé ce processus directement.

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.

Carrelez le sol avec des triangles identiques : vous obtenez un motif répétitif ennuyeux. Mais que faire si l'on veut un motif qui ne se répète jamais, avec une seule forme de tuile ? Longtemps, les mathématiciens ont été convaincus que c'était impossible : il fallait au moins deux formes différentes.

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.

Des couches de matériau mince, tournées l'une par rapport à l'autre, évoquent des grilles superposées. Aux intersections des lignes apparaît un nouveau motif : le moiré. Dans ce motif, les électrons se déplacent différemment que dans un cristal ordinaire et peuvent former des états inattendus.

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.

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.

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 ».

La supraconductivité ressemble à une danse des électrons : ils se déplacent par paires, sans perdre d'énergie. Dans les supraconducteurs ordinaires, cette danse est dictée par la vitesse des électrons.

Une pile de papier : si les feuilles sont posées bien droites les unes sur les autres, la lumière les traverse de la même manière. Mais tournez une feuille de quelques degrés, et le tableau change. C'est à peu près ce qui se passe avec les couches de certains matériaux : tournez-les les unes par rapport aux autres, et leurs propriétés changent, parfois radicalement.

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 — 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 panier tressé en osier tient sa forme grâce à l'entrelacement des brins. Un motif similaire — des triangles imbriqués dans un réseau plat — a été découvert dans un nouveau cristal de formule Cs₃V₉Te₁₃. Ici, les atomes de vanadium forment deux ensembles de triangles qui se traversent mutuellement, comme des fils dans un tissu.

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.

Une feuille de graphène d'un atome d'épaisseur est tordue sous un petit angle, et elle commence à se comporter comme un gâteau en couches où les couches sont légèrement tournées les unes par rapport aux autres. À un certain angle de rotation, ce matériau devient supraconducteur : les électrons commencent à se déplacer par paires, comme des danseurs de valse, sans perdre d'énergie.

Le cristal de séléniure de bismuth (Bi₂Se₃) est en soi symétrique, comme un sandwich soigneusement assemblé : retournez-le, et rien ne change. Mais il suffit de faire légèrement pivoter une couche par rapport à l'autre pour que la symétrie se brise. Le matériau se met alors à « sentir » d'où vient la lumière et répond par un courant électrique.

Les circuits supraconducteurs sont souvent construits sur des jonctions Josephson — des endroits où le courant circule sans résistance à travers une barrière mince. Habituellement, cette barrière est une couche d'oxyde, mais ses propriétés sont difficiles à contrôler à l'échelle nanométrique.

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.

Deux couches d'un matériau magnétique, tournées l'une par rapport à l'autre de quelques fractions de degré, comme deux grilles légèrement décalées sur une fenêtre. Dans leur état normal, elles ne produisent rien de particulier, mais à un certain angle de rotation, un effet inattendu apparaît dans le matériau.

Le bismuth bidimensionnel sur substrat de silicium est un matériau prometteur pour l'électronique du futur. Ses bords conduisent le courant sans pertes, comme une autoroute sans feux rouges. Mais le bismuth est fragile : l'air et l'humidité dégradent rapidement ses propriétés.

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.

Dans des couches de tellurure de molybdène torsadées selon un angle précis, les électrons se comportent de manière inhabituelle : ils peuvent se diviser en parties. C'est comme si un gâteau entier se mettait soudainement à être découpé en parts strictement égales, alors qu'il n'y a qu'un seul couteau.

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.

Une cloche ne bourdonne pas d'une seule note : après le coup, plusieurs harmoniques résonnent. C'est à peu près ainsi que vibre un noyau atomique : après une collision, il peut osciller, et ces oscillations sont visibles dans les rayons gamma émis.