Les matériaux moirés étendent leur portée

En 1976, une créature d’une beauté inattendue a émergé d’une étude théorique de cristaux 2D dans un champ magnétique. Avec son battement d’ailes récursif, le « papillon de Hofstadter » a montré comment se produisent les effets d’un champ magnétique appliqué et du potentiel électrostatique d’un réseau cristallin bidimensionnel, et pourrait aider à expliquer le comportement des électrons dans divers systèmes quantiques.

Pourtant, pendant près de quarante ans, il est resté un fruit de la théorie, jusqu’à ce qu’une série d’expériences avec du graphène – des feuilles en nid d’abeilles d’atomes de carbone – superposées sur du nitrure de bore, révèlent pour la première fois le papillon dans des données expérimentales. Dix ans plus tard, une autre série d’expériences – deux observant le papillon Hofstadter et une exploitant davantage les effets qui l’ont fait apparaître expérimentalement – ​​ont mis en évidence le vaste champ d’action que les systèmes de matériaux 2D en couches peuvent explorer, brouillant encore davantage la frontière entre deux et trois dimensions, et même la distinction entre les structures périodiques et apériodiques.

Papillons et structures moirées « magiques »

Le riche spectre électronique du papillon Hofstadter apparaît lorsque la « force de Lorentz » qui agit sur un électron se déplaçant dans un champ magnétique l’attirant vers des trajectoires circulaires, se superpose au potentiel coulombien d’un réseau cristallin périodique. L’effet Hall quantique – l’augmentation discrète de la résistance dans un matériau 2D avec un champ magnétique croissant – est désormais attribué aux mêmes phénomènes. Les déviations dans les trajets des électrons pour s’adapter aux orbites cyclotroniques quantifiées se manifestent par une résistance accrue.

Le principal défi des efforts visant à révéler les spectres du papillon Hofstadter dans les données expérimentales était l’énorme champ magnétique requis pour correspondre à l’échelle de périodicité dans un réseau atomique – des milliards de fois plus puissant que le champ magnétique terrestre et bien au-delà de la portée des installations expérimentales. . Le coup d’État est venu avec l’arrivée du graphène, un matériau merveilleux, et des études de son comportement électronique sur du nitrure de bore hexagonal (hBN) également bidimensionnel. Le réseau hBN est 2 % plus grand que celui du graphène, donc assembler les deux donne un effet similaire à celui observé dans les tissus moirés lorsque le maillage de deux textiles est désynchronisé. Ce que l’œil étourdi voit, c’est un motif de matériau avec une périodicité beaucoup plus grande en fonction de la manière dont les couches de tissu sont alignées. De même, les électrons de ces matériaux moirés sont soumis à un réseau plus grand avec une périodicité pouvant atteindre des dizaines de nanomètres, ce qui est bien adapté à l’observation du papillon Hofstadter.

La théorie prévoyait également que sous l’influence de ces super-réseaux moirés plus grands, sous certains « angles magiques », les électrons tourbillonnants du graphène, qui font la une des journaux, s’arrêteraient effectivement. Avec une énergie cinétique nulle, leur comportement est alors régi presque exclusivement par les interactions coulombiennes avec d’autres électrons, produisant des effets électroniques fortement corrélés comme la supraconductivité. En 2018, des équipes dirigées par Pablo Jarillo-Herrero du Massachusetts Institute of Technology (MIT), aux États-Unis, ont produit des structures de graphène bicouches tordues selon ces angles magiques et ont utilisé des portes pour s’accorder entre ces états supraconducteurs et, à l’autre extrême, isolants. À partir de là, les études sur les matériaux moirés ont explosé, examinant davantage de couches, différents matériaux 2D tels que les dichalcogénures de métaux de transition, et trouvant de plus en plus d’exemples d’effets électroniques corrélés et de supraconductivité. On espérait même qu’une voie menant à la supraconductivité à température ambiante pourrait être trouvée grâce à cette ligne de recherche, même si l’explication définitive des origines de la supraconductivité dans ces systèmes reste débattue.

Quasicristaux moirés

Dans leur dernier projet, Jarillo-Herrero et ses collaborateurs ont entrepris d’étudier une structure torsadée de trois couches de graphène, où les couches supérieure et inférieure sont efficacement alignées mais la couche intermédiaire est désynchronisée selon un angle magique. Cependant, l’équipe avait accidentellement produit une structure dans laquelle les couches supérieure et inférieure étaient décalées l’une par rapport à l’autre ainsi qu’avec la couche intermédiaire, ce qui a conduit à des caractéristiques initialement insondables dans les données.¹

«Nous étions perplexes», déclare Aviram Uri du MIT, qui a contribué à diriger les travaux. Après six mois de résolution du problème, ils ont réalisé qu’avec les couches inférieure et intermédiaire créant un réseau de moiré et les couches intermédiaire et supérieure créant un autre réseau de moiré légèrement différent, les deux réseaux de moiré combinés produisaient un motif qui ne se produisait jamais vraiment. je répète – un quasi-cristal. « Quand nous avons réalisé que nous avions un quasi-cristal, c’était vraiment excitant », ajoute Uri.

Le concept de quasi-cristaux a été introduit pour la première fois par Paul Steinhardt, aujourd’hui professeur de physique à Princeton, et son étudiant de l’époque, Dov Levine, en 1984. Les modèles de quasi-cristaux comprennent des sous-groupes avec des taux de répétition différents, de sorte que le rapport entre les taux est un nombre irrationnel et le modèle combiné ne se répète jamais. « C’est comme une discorde dans l’espace », dit Steinhardt Monde de la chimie.

Mallika Randeria et Daniel Rodan Legrain du MIT ont également contribué à diriger le projet aux côtés de Sergio de la Barrera, désormais basé à l’Université de Toronto, au Canada. De la Barrera souligne que la plupart des systèmes de matériaux 2D désynchronisés produiront un quasi-cristal, et en fait Steinhardt et Levine avaient signalé le potentiel des cristaux moirés dans leurs recherches sur les quasi-cristaux en 1986. Cependant, de la Barrera suggère que souvent l’ampleur de ces cristaux les caractéristiques sont trop petites pour être « pertinentes » pour les électrons.

Bien que de nombreuses recherches aient exploré les types de structures atomiques quasicristallines qui pourraient exister et les propriétés physiques distinctives qu’elles pourraient avoir, l’impact de ce fond quasicristallin sur le comportement des électrons a été difficile à cerner. Les études théoriques se heurtent à des problèmes car la plupart des calculs du comportement électronique supposent une périodicité qui est compromise dans un réseau quasi-cristallin, tandis qu’expérimentalement, les effets des défauts peuvent être difficiles à distinguer de ceux des caractéristiques quasi-cristallines.

Uri suggère un autre défi potentiel, comme il le raconte Monde de la chimie: « Dans les quasicristaux atomiques, les électrons (aux énergies) accessibles aux mesures de transport ne répondent souvent pas de manière significative au paysage quasicristallin. » Cependant, les électrons « ne peuvent pas du tout l’ignorer » dans le quasi-cristal sur lequel lui et ses collaborateurs étaient tombés par hasard, car la taille des caractéristiques était d’autant plus grande.

«Il sera fascinant de savoir si ceux-ci produisent des modèles intéressants, distinctifs et même utiles», déclare Steinhardt.

Grâce à leur quasi-cristal à double moiré, l’équipe de Jarillo-Herrero a pu observer toutes sortes de comportements électroniques excentriques, y compris la supraconductivité. Uri suggère que les structures peuvent être considérées comme analogues à celles du papillon de Hofstadter, mais avec le deuxième potentiel de réseau de moiré fixe fournissant la structure secondaire à laquelle les électrons sont soumis, plutôt qu’à un champ magnétique réglable. En effet, les calculs pour le quasi-cristal moiré révèlent également des caractéristiques électroniques similaires à celles trouvées chez le papillon Hofstadter.

Alors que les quasi-cristaux traditionnels sont difficiles à concevoir avec des caractéristiques sur mesure, le comportement des quasi-cristaux moirés est facilement ajusté non seulement en ajustant les torsions, mais également en appliquant des tensions et de faibles champs magnétiques. Ils pourraient même amener la même structure à se comporter soit comme un cristal, soit comme un quasi-cristal en termes de propriétés électroniques. «Cela revient en quelque sorte à quitter le paradigme selon lequel quelque chose est ou non un quasi-cristal», explique de la Barrera. Ce n’est pas la seule distinction rendue fluide par la recherche sur les matériaux moirés.

Dimensions hybrides

«Au cours des deux dernières années, mon groupe s’est efforcé de comprendre quelque chose de plus universel sur ce qui pourrait arriver à ces structures dotées d’une seule interface torsadée», explique Matthew Yankowitz, physicien de la matière condensée à l’université de Washington, aux États-Unis. Ils ont finalement créé une torsion dans un mince film de graphite – un matériau 3D – en vue de réduire progressivement l’épaisseur au régime de matériau 2D pour voir comment les caractéristiques de moiré émergeaient au cours de la transition. Bien que les états fortement corrélés aient disparu dans le graphite torsadé, le comportement des électrons a été considérablement modifié par l’interface torsadée formant une structure hybride 2D-3D.²

Bien que les mécanismes physiques soient encore un peu flous, avec le recul, Yankowitz suggère que cela n’aurait pas dû être une telle surprise. L’effet Hall quantique a été rapporté dans le graphite en 2019 par Artem Mishchenko, Vladimir Fal’ko et le lauréat du prix Nobel de graphène Andre Geim de l’Université de Manchester et leurs collaborateurs. Il a été surnommé « effet Hall quantique à 2,5 dimensions » parce que l’effet avait toujours été considéré fondamentalement en 2D, mais les chercheurs de Manchester ont expliqué sa présence dans le graphite en termes d’électrons se déplaçant en spirale entre les interfaces supérieure et inférieure dans une onde stationnaire, plutôt que les cercles plats. Dans leur graphite torsadé, Yankowitz et son équipe ont également rapporté des observations de l’effet Hall quantique et du papillon Hofstadter. « Notre travail a essentiellement consisté à exploiter cette onde stationnaire pour coupler désormais l’interface torsadée à la masse », explique Yankowitz, qui suggère que d’autres propriétés de surface pourraient être intégrées à la masse de la même manière.

En fait, les chercheurs dirigés par Fal’ko et Mishchenko ont simultanément rapporté le même effet en utilisant un morceau de graphite pris en sandwich entre deux cristaux de nitrure de bore hexagonal, son espacement de réseau légèrement plus grand par rapport au graphite produisant les effets de matériau moiré.³ «Au début, c’était totalement hors de nos attentes», explique Mishchenko, décrivant leur réaction à l’observation du papillon Hofstadter dans leur échantillon de graphite. Il ajoute qu’ils voient maintenant comment il émerge des électrons en spirale entre les surfaces supérieure et inférieure du graphite, « dirigés par de puissants champs magnétiques et des effets de moiré ». Les gens s’intéressent au graphite depuis des milliers d’années, mais l’arrivée du graphène a détourné l’attention du graphite pendant un certain temps. Selon Mishchenko, ces résultats récents « ramènent en quelque sorte cette vie au graphite ».