Les physiciens et collègues du MIT ont créé une autoroute à cinq voies pour les électrons qui pourrait permettre une électronique ultra-efficace et bien plus encore.
Le travail, rapporté dans le numéro du 10 mai de Scienceest l’une des nombreuses découvertes importantes réalisées par la même équipe au cours de l’année écoulée concernant un matériau qui constitue une forme unique de graphène.
« Cette découverte a des implications directes pour les appareils électroniques de faible puissance, car aucune énergie n’est perdue lors de la propagation des électrons, ce qui n’est pas le cas dans les matériaux ordinaires où les électrons sont dispersés », explique Long Ju, professeur adjoint au Département de physique. et auteur correspondant du Science papier.
Le phénomène s’apparente à celui des voitures circulant sur une autoroute à péage ouverte, par opposition à celles qui traversent les quartiers. Les voitures du quartier peuvent être arrêtées ou ralenties par d’autres conducteurs effectuant des arrêts brusques ou des demi-tours qui perturbent un trajet autrement fluide.
Un nouveau matériau
Le matériau à l’origine de ces travaux, connu sous le nom de graphène pentacouche rhomboédrique, a été découvert il y a deux ans par des physiciens dirigés par Ju. « Nous avons trouvé une mine d’or et chaque scoop révèle quelque chose de nouveau », explique Ju, qui est également affilié au laboratoire de recherche sur les matériaux du MIT.
Dans un Nature Nanotechnologie article en octobre dernier, Ju et collègues a signalé la découverte de trois propriétés importantes découlant du graphène rhomboédrique. Par exemple, ils ont montré qu’il pouvait être topologique ou permettre le mouvement sans entrave des électrons autour du bord du matériau mais pas à travers le milieu. Cela a abouti à la construction d’une autoroute, mais a nécessité l’application d’un champ magnétique important, des dizaines de milliers de fois plus puissant que le champ magnétique terrestre.
Dans le cadre des travaux en cours, l’équipe rapporte avoir créé l’autoroute sans aucun champ magnétique.
Tonghang Han, étudiant diplômé en physique du MIT, est l’un des co-premiers auteurs de l’article. « Nous ne sommes pas les premiers à découvrir ce phénomène général, mais nous l’avons fait dans un système très différent. Et comparé aux systèmes précédents, le nôtre est plus simple et prend également en charge davantage de canaux électroniques. Ju explique : « les autres matériaux ne peuvent supporter qu’une seule voie de circulation en bordure du matériau. Nous l’avons soudainement augmenté à cinq.
Les autres co-premiers auteurs de l’article qui ont contribué à parts égales au travail sont Zhengguang Lu et Yuxuan Yao. Lu est postdoctorant au Laboratoire de recherche sur les matériaux. Yao a mené les travaux en tant qu’étudiant invité de premier cycle à l’Université Tsinghua. Les autres auteurs sont Liang Fu, professeur de physique au MIT ; Jixiang Yang et Junseok Seo, tous deux étudiants diplômés en physique du MIT ; Chiho Yoon et Fan Zhang de l’Université du Texas à Dallas ; et Kenji Watanabe et Takashi Taniguchi de l’Institut national des sciences des matériaux au Japon.
Comment ça fonctionne
Le graphite, composant principal de la mine de crayon, est composé de nombreuses couches de graphène, une seule couche d’atomes de carbone disposés en hexagones ressemblant à une structure en nid d’abeille. Le graphène rhomboédrique est composé de cinq couches de graphène empilées dans un ordre spécifique qui se chevauchent.
Ju et ses collègues ont isolé le graphène rhomboédrique grâce à un nouveau microscope Ju construit au MIT en 2021 qui peut déterminer rapidement et à relativement peu de frais une variété de caractéristiques importantes d’un matériau à l’échelle nanométrique. Le graphène empilé rhomboédrique pentacouche n’a que quelques milliardièmes de mètre d’épaisseur.
Dans le travail actuel, l’équipe a bricolé le système original, en ajoutant une couche de bisulfure de tungstène (WS2). «L’interaction entre le WS2 et le graphène rhomboédrique pentacouche a donné naissance à cette autoroute à cinq voies qui fonctionne avec un champ magnétique nul », explique Ju.
Comparaison avec la supraconductivité
Le phénomène que le groupe Ju a découvert dans le graphène rhomboédrique, qui permet aux électrons de se déplacer sans résistance à un champ magnétique nul, est connu sous le nom d’effet Hall anormal quantique. La plupart des gens sont plus familiers avec la supraconductivité, un phénomène complètement différent qui a le même effet mais qui se produit dans des matériaux très différents.
Ju note que bien que les supraconducteurs aient été découverts dans les années 1910, il a fallu environ 100 ans de recherche pour amener le système à fonctionner aux températures plus élevées nécessaires aux applications. « Et le record du monde est encore bien en dessous de la température ambiante », note-t-il.
De même, l’autoroute du graphène rhomboédrique fonctionne actuellement à environ 2 kelvins, ou -456 degrés Fahrenheit. « Il faudra beaucoup d’efforts pour élever la température, mais en tant que physiciens, notre travail consiste à fournir des informations ; une manière différente de réaliser cela [phenomenon] », dit Ju.
Très excitant
Les découvertes impliquant le graphène rhomboédrique sont le résultat de recherches minutieuses dont l’efficacité n’était pas garantie. « Nous avons essayé de nombreuses recettes pendant plusieurs mois », explique Han, « c’était donc très excitant de refroidir le système à une température très basse et [a five-lane superhighway operating at zero magnetic field] vient de sortir.
Selon Ju, « c’est très excitant d’être le premier à découvrir un phénomène dans un nouveau système, en particulier dans un matériau que nous avons découvert ».
Ce travail a été soutenu par une bourse Sloan ; la National Science Foundation des États-Unis ; le Bureau américain du sous-secrétaire à la Défense chargé de la recherche et de l’ingénierie ; la Société japonaise pour la promotion de la science KAKENHI ; et la World Premier International Research Initiative du Japon.
