La nématicité est une nouvelle pièce dans le puzzle du graphe de phase de graphène bicouche

D’abord décrite dans un autre état de la matière appelé cristal liquide, la phase nématique se produit lorsque les particules d’un matériau se brisent de manière symétrique en brun et s’orientent de manière lâche les unes avec les autres le long du même axe. Ce phénomène est à la base de l’écran LCD couramment utilisé dans les téléviseurs et les écrans d’ordinateur. Au stade du nématode électronique, les particules en question sont des électrons dont le comportement et la disposition dans un matériau peuvent affecter la manière dont ce matériau conduit le courant électrique dans différentes directions.

« Les données sont incroyables », déclare le co-auteur Rafael Fernandez, physicien théoricien à l’Université du Minnesota, qui a rencontré l’auteur principal Abhay Pasupathy en tant que postdoctorant à l’Université Columbia. « Vous pouvez clairement voir qu’il y a une symétrie qui est brisée. »

Il a montré que les symétries brisées conduisent souvent à de nouveaux effets quantiques. Le graphène tordu à double couche a généralement une triple symétrie – peu importe combien de fois vous faites pivoter une image à 120 degrés, elle reste la même. En utilisant la microscopie à effet tunnel et la spectroscopie pour enregistrer les propriétés électroniques des atomes individuels, Rubio Verdi et ses collègues ont enregistré du graphène tordu à une tension électrique différente. « Ce que nous voyons, ce sont des traînées » – ce sont les électrons qui se réalignent et brisent la symétrie de l’échantillon, a-t-elle dit, même avec le réseau atomique sous-jacent restant le même. À ce stade nématique observé, l’image ne peut désormais être retournée que de 180 degrés.

« Ces phases résultent d’interactions électron-électron », a déclaré Rubio Verdi, un collègue de Marie Skodowska-Curie qui étudie les phases électroniques dans les matériaux d’ondulation tels que le graphène tordu en utilisant la pasopathie. « Trouver une nouvelle étape comme celle-ci est passionnante car cela ajoute à notre compréhension globale des systèmes à base de graphène. »

Des expériences antérieures suggéraient l’existence d’une telle phase électronique interconnectée dans le graphène torsadé, mais il n’était pas clair si cela était en fait le résultat d’une contrainte croisée dans le matériau torsadé. Rubio Verdi explique que le stress peut également entraîner des électrons en mouvement, mais qu’il s’agit d’un effet mécanique plutôt qu’électronique. Dans cette expérience, l’équipe a utilisé un échantillon tordu de graphène qui était relativement grand mais avait une déformation extrêmement faible – seulement 0,03 %. « Nous regardons à des centaines de nanomètres et l’effet persiste », a déclaré Rubio Verdo. « Ceci est une véritable scène nématique électronique. »

En théorie, une telle phase pourrait exister dans n’importe quel matériau à base de graphène. Dans des travaux futurs, l’équipe prévoit d’explorer comment la phase nématique affecte la capacité du graphène bicouche torsadé à conduire un courant électrique.

Comprendre la gamme complète du comportement électronique dans les matériaux d’ondulation comme le graphène torsadé pourrait un jour aider les physiciens à mieux comprendre une autre phase quantique, la supraconductivité, dans laquelle un courant électrique se déplace à travers un matériau avec une résistance nulle. Cependant, cette phase se produit actuellement à des températures très basses – même les supraconducteurs dits à haute température, utilisés dans des appareils tels que les IRM, doivent rester en dessous de zéro de 100 degrés Fahrenheit. Bien que les matériaux d’ondulation tels que le graphène torsadé aient été étudiés à des températures proches de -450 degrés Fahrenheit, ils partagent des similitudes avec les supraconducteurs à haute température, a déclaré Rubio Verdo, comme des cas de dopage électronique et de supraconductivité isolante. .

Le domaine soulève encore des questions fondamentales sur la nature des matériaux moirés, mais la découverte de la phase électronégative dans le graphène bicouche torsadé n’est qu’une autre pièce de ce puzzle qui vient d’être posé. « Nous voyons un ennemi électronique dans une autre classe de véhicules », a déclaré Fernandez. « Alors que les gens découvrent toutes sortes de façons différentes de tordre les différentes couches, nous voulons maintenant découvrir ce qui est commun et puissant. »