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Découverte d’un nouvel effet quantique dans le graphène naturel

effet quantique dans le graphène naturel

Habituellement, la résistance électrique d’un matériau dépend beaucoup de ses dimensions physiques et de ses propriétés fondamentales. Dans des circonstances particulières, toutefois, cette résistance peut adopter une valeur fixe, indépendante des propriétés fondamentales du matériau et « quantifiée ». Ce qui signifie qu’elle change par étapes discrètes plutôt que de manière continue. Cette quantification de la résistance électrique se produit normalement dans des champs magnétiques puissants et à très basse température. Cet effet quantique se produit surtout lorsque les électrons se déplacent de manière bidimensionnelle.

Une équipe de recherche dirigée par l’université de Göttingen a réussi à démontrer cet effet à basse température en l’absence quasi totale de champ magnétique dans du graphène double couche naturel, d’une épaisseur de deux atomes seulement.

L’équipe de l’université de Göttingen, de l’université Ludwig-Maximilian de Munich et de l’université du Texas (Dallas) a utilisé du graphène bicouche sous sa forme naturelle. Les délicats flocons de graphène sont mis en contact à l’aide de techniques de microfabrication standard. Le flocon est positionné de manière à pendre librement comme un pont, maintenu sur les bords par deux contacts métalliques. Les doubles couches de graphène extrêmement propres présentent une quantification de la résistance électrique à basse température et des champs magnétiques presque indétectables. En outre, le courant électrique circule sans aucune perte d’énergie. La raison en est une forme de magnétisme qui n’est pas générée de la manière habituelle comme on le voit dans les aimants conventionnels (c’est-à-dire par l’alignement des moments magnétiques intrinsèques des électrons). Le mouvement des particules chargées dans la double couche de graphène elle-même génère ce type de magnétisme.

« En d’autres termes, les particules génèrent leur propre champ magnétique intrinsèque. Ce qui conduit à la quantification de la résistance électrique », explique le professeur Thomas Weitz de l’université de Göttingen.

Un effet quantique pour un haut degré de contrôle

La particularité de cet effet ne réside pas seulement dans le fait qu’il ne nécessite qu’un champ électrique. Elle réside aussi dans le fait qu’il se produit en huit versions différentes. Des versions que l’on peut contrôler par des champs magnétiques et électriques appliqués. Il en résulte un haut degré de contrôle, car il est possible d’activer ou de désactiver l’effet. La direction du mouvement des particules chargées peut aussi s’inverser.

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« Cela en fait un candidat vraiment intéressant pour des applications potentielles. Par exemple, dans le développement de composants informatiques innovants dans le domaine de la spintronique, ce qui pourrait avoir des implications pour le stockage de données », déclare Weitz. En outre, le fait que nous puissions montrer cet effet dans un système comprenant un matériau simple et naturel est un avantage. Cela contraste fortement avec les “hétérostructures” récemment popularisées, qui nécessitent une composition complexe et précise de différents matériaux.

Il faut cependant d’abord approfondir l’étude de cet effet. Trouver des moyens de le stabiliser à des températures plus élevées devient aussi une nécessité. Il ne se produit en effet actuellement que jusqu’à cinq degrés au-dessus du zéro absolu (ce dernier étant de 273 degrés sous 0oC).

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