Les électrons perdent leur masse dans les fines feuilles de carbone

Des physiciens ont découvert un comportement exotique jamais encore observé dans des feuilles d'atomes de carbone. Ils ont prouvé que les électrons s'y déplaçaient comme s'ils n'avaient aucune masse au repos. Ils ont également observé une valeur minimum de la conductivité des feuilles et une forme peu commune de l'effet Hall quantique.


André Geim et d'autres scientifiques de l'Université de Manchester en Grande-Bretagne et de l'Institut de microélectronique à Chernogolovka en Russie avaient récemment montré comment élaborer du graphène, ces feuilles bidimensionnelles de carbone qui ont un seul atome d'épaisseur, à partir du graphite, la forme de carbone que l'on peut trouver dans des mines de crayons (voir notre news). Geim et d'autres équipes internationales de scientifiques ont désormais exploré les propriétés électroniques de cette nouvelle forme de carbone et ont découvert que c'était entre autres un excellent conducteur.

En particulier ils ont découvert que les électrons se comportent dans le graphène comme des particules relativistes qui n'ont aucune masse au repos et voyagent à environ 1.000 kilomètres par seconde. Bien que ce soit plus lent, d'un facteur 300, que la vitesse de la lumière dans le vide, cette vitesse est toutefois beaucoup plus rapide que celle des électrons dans un conducteur ordinaire. D'ailleurs, les électrons dans la plupart des conducteurs peuvent être décrits par la mécanique quantique non-relativiste, tandis que les électrons dans le graphène doivent être traités en tant que particules relativistes appelées les "fermions sans masse de Dirac".

Les chercheurs ont également observé un nouvel effet Hall quantique dit de "demi-nombre entier", qui est l'analogue relativiste de l'effet Hall quantique conventionnel qui est observé pour des électrons libres dans les systèmes semi-conducteurs. L'effet Hall quantique est lui-même une variation (1) de l'effet Hall classique qui est observé quand un courant traverse un matériau en présence d'un champ magnétique. Dans cette version classique de l'effet, une tension apparaît dans la direction perpendiculaire à la fois au champ électrique et au champ magnétique.

Enfin, les scientifiques ont constaté que la conductivité électrique du graphène ne descend pas au-dessous d'une certaine valeur minimum, cela même alors qu'il n'y a aucun électron mobile dans la feuille. "C'est complètement contraire à l'intuition parce que dans tout autre système, la conductivité disparaît si aucun porteur de charge n'est présent", fait remarquer Geim.

"Ces expériences démontrent que le graphène est un matériau plein de surprises, ajoute Geim, et qu'il recèle encore plus de promesses que l'on ne pouvait raisonnablement espérer avec un nouveau système expérimental. L'étude du transport des électrons dans le graphène nous ouvre un accès direct à la physique riche et subtile de l'électrodynamique quantique".

(1) La tension varie par niveau dans l'effet Hall quantique