Des courants bien singuliers dans le graphène

Publié par Adrien le 29/01/2022 à 09:00
Source: CNRS INP
Parmi les propriétés extraordinaires du graphène, il existe une anomalie magnétique géante prédite depuis les années 1950s et encore jamais mesurée directement. En contrôlant un feuillet de graphène presque sans défaut avec une tension électrostatique et en utilisant des capteurs (Un capteur est un dispositif qui transforme l'état d'une grandeur physique observée en une...) à magnétorésistance géante (Une étoile géante est une étoile de classe de luminosité II ou III. Dans le...) ultrasensibles, des physiciennes et des physiciens ont pour la première fois mis en évidence cette singularité (D'une manière générale, le mot singularité décrit le caractère singulier de quelque chose ou...) magnétique expérimentalement.


(gauche) Schéma des deux bandes en forme de cônes au point de Dirac: l'énergie (Dans le sens commun l'énergie désigne tout ce qui permet d'effectuer un travail, fabriquer de la...) électronique E est représentée en fonction du vecteur (En mathématiques, un vecteur est un élément d'un espace vectoriel, ce qui permet...) caractérisant la quantité de mouvement (En physique, la quantité de mouvement est la grandeur physique associée à la vitesse et la masse...). Les zones grisées indiquent le remplissage d'électrons, lequel définit le potentiel chimique (μ). Lorsque μ = μD (μD énergie au point de Dirac), la bande inférieure est complètement (Le complètement ou complètement automatique, ou encore par anglicisme complétion ou...) remplie et la bande supérieure complètement vide (Le vide est ordinairement défini comme l'absence de matière dans une zone spatiale.). La courbe (En géométrie, le mot courbe, ou ligne courbe désigne certains sous-ensembles du...) bleue représente le pic diamagnétique du moment magnétique (En magnétostatique, soit une distribution de courants permanents à support compact de volume V.) orbital (Morb) mesuré lorsque μ = μD.

(droite) Schéma du dispositif expérimental ayant permis de détecter l'anomalie diamagnétique du graphène (Cet article ne doit pas être confondu avec l’article graphème.) au point de Dirac. Le feuillet de graphène est protégé par deux couches de nitrure de bore (Le bore est un élément chimique de symbole B et de numéro atomique 5.) (hBN) et placé sur un substrat d'alumine (L’alumine ou oxyde d’aluminium, de formule chimique Al2O3, est un composé...). Les flèches représentent le champ magnétique (En physique, le champ magnétique (ou induction magnétique, ou densité de flux...) excitateur (en rouge), la réponse orbitale des électrons (en bleu) et les champs détectés par les capteurs à magnétorésistance géante (en vert). Le potentiel Vg est appliqué à une grille ( Un grille-pain est un petit appareil électroménager. Une grille écran est un...) pour contrôler le potentiel chimique.

Crédit: H. Bouchiat/LPS.

Les électrons plongés dans un champ (Un champ correspond à une notion d'espace défini:) magnétique décrivent des orbites circulaires, générant ainsi un moment magnétique qui s'oppose au champ magnétique. Cet effet donne lieu, dans sa version quantique, au diamagnétisme (Le diamagnétisme est l'un des comportements de la matière lorsqu'elle est soumise à un champ...) de Landau bien connu dans les matériaux (Un matériau est une matière d'origine naturelle ou artificielle que l'homme façonne pour en...) conducteurs. On sait depuis longtemps que ce magnétisme (Le magnétisme est un phénomène physique, par lequel se manifestent des forces...) orbital dépend de la structure, cristalline et électronique, du matériau (Un matériau est une matière d'origine naturelle ou artificielle que l'homme façonne...) considéré. Plus récemment, il a été démontré que lors du mouvement orbital des électrons, leur fonction d'onde (Une onde est la propagation d'une perturbation produisant sur son passage une variation...), reflétant les symétries cristallines, acquiert un déphasage d'origine géométrique, dit phase (Le mot phase peut avoir plusieurs significations, il employé dans plusieurs domaines et...) de Berry, qui influe sur la direction de la réponse magnétique.

Dans le cas du graphène, la structure électronique présente un point remarquable, le point de Dirac, qui est à l'intersection de deux bandes d'énergie en forme de cônes et pour lequel les électrons se comportent comme si leur masse (Le terme masse est utilisé pour désigner deux grandeurs attachées à un...) était nulle. En particulier, dès 1956, une réponse orbitale, diamagnétique et divergente, a été prédite lorsque le potentiel chimique coïncide avec l'énergie du point de Dirac, c'est-à-dire lorsque que la bande inférieure est complètement remplie d'électrons et la bande supérieure complètement vide (figure).

Cette prédiction est surprenante, car c'est au point de Dirac que la densité (La densité ou densité relative d'un corps est le rapport de sa masse volumique à la...) d'électrons est minimale. Elle s'explique avec la phase de Berry qui vaut πdans le graphène et qui conduit à une réponse orbitale négative, s'opposant au champ magnétique et donc diamagnétique. De plus, cette phase intervient aussi dans la quantification des niveaux d'énergie de Landau et donne lieu à un niveau au point de Dirac, créant ainsi une densité d'états non nulle en ce point.

La première mise en évidence expérimentale ( En art, il s'agit d'approches de création basées sur une remise en question des dogmes...) de cette singularité magnétique vient d'être réalisée dans une collaboration menée par des physiciennes et des physiciens du Laboratoire de physique (La physique (du grec φυσις, la nature) est étymologiquement la...) des solides à Orsay (LPS, CNRS/Université Paris-Saclay), grâce à une mesure ultrasensible de l'aimantation d'un cristal (Cristal est un terme usuel pour désigner un solide aux formes régulières, bien que...) micrométrique de graphène quasiment parfait, et au contrôle (Le mot contrôle peut avoir plusieurs sens. Il peut être employé comme synonyme d'examen, de...) de la densité d'électrons autour (Autour est le nom que la nomenclature aviaire en langue française (mise à jour) donne...) du point de Dirac avec un champ électrostatique (L'électrostatique traite des charges électriques immobiles et des forces qu'elles exercent entre...). Cette étude est publiée dans la revue Science.

Le dispositif de mesure comprend une paire (On dit qu'un ensemble E est une paire lorsqu'il est formé de deux éléments distincts...) de capteurs à magnétorésistance géante (GMR) fabriqués au Service de physique de l'état condensé (SPEC, CEA/CNRS) qui ont la caractéristique d'être très sensibles au champ magnétique généré par les boucles de courant orbital induites dans le graphène, tout (Le tout compris comme ensemble de ce qui existe est souvent interprété comme le monde ou...) en étant insensibles au champ magnétique perpendiculaire (En géométrie plane, on dit que deux droites sont perpendiculaires quand elles se coupent en...) au plan de graphène qui génère ces boucles (figure). Une tension (La tension est une force d'extension.) électrostatique est appliquée à une électrode, la grille, placée au-dessus de l'échantillon (De manière générale, un échantillon est une petite quantité d'une matière, d'information, ou...).

La grande sensibilité de la réponse magnétique du graphène à la tension de grille a été mise à profit en modulant celle-ci périodiquement en fonction du temps (Le temps est un concept développé par l'être humain pour appréhender le...), et ainsi, grâce à la détection synchrone du signal ( Termes généraux Un signal est un message simplifié et généralement codé. Il existe...) GMR, une discrimination optimale du signal magnétique recherché par rapport aux bruits parasites de l'expérience a été réalisée: la précision obtenue est meilleure que le millionième du champ magnétique terrestre (La Terre possède un champ magnétique produit par les déplacements de son noyau externe –...). En balayant le potentiel chimique autour du point de Dirac grâce à la tension de grille, un pic diamagnétique est alors détecté au point de Dirac, en accord avec la théorie (Le mot théorie vient du mot grec theorein, qui signifie « contempler, observer,...). Lorsque le champ magnétique augmente, sa largeur (La largeur d’un objet représente sa dimension perpendiculaire à sa longueur, soit...) augmente et des oscillations périodiques apparaissent de part et d'autre du point de Dirac, connues sous le nom d'oscillations de Haas-van Alphen, et qui sont les signatures des autres niveaux d'énergie de Landau.

Ces résultats ouvrent tout un champ d'investigation des courants orbitaux dans le graphène et dans les matériaux topologiques bidimensionnels. Ils offrent un nouvel outil (Un outil est un objet finalisé utilisé par un être vivant dans le but d'augmenter son...) pour y explorer des états électroniques corrélés générés par l'effet combiné des interactions coulombiennes, des contraintes et des potentiels de moiré ( Moiré : effet de contraste changeant avec la déformation d'un objet Moiré :...).

Référence:
Detection of graphene's divergent orbital diamagnetism at the Dirac point.
J. Vallejo, N.J. Wu, C. Fermon, M. Pannetier-Lecoeur, T. Wakamura, K. Watanabe, T. Tanigushi, T.Pellegrin, A. Bernard, S. Daddinounou, V. Bouchiat, S. Guéron, M. Ferrier, G. Montambaux et H. Bouchiat.
Science, paru le 9 décembre 2021.
DOI:10.1126/science.abf9396
Article disponible sur la base d'archives ouverte arXiv
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