Imager de nouvelles phases magnétiques du graphène

Publié par Adrien le 06/05/2022 à 09:00
Source: CNRS INP
Grâce à un dispositif original de microscopie tunnel fonctionnant sous un champ magnétique élevé et à très basse température, les physiciens ont pour la première fois visualisé à l'échelle atomique plusieurs configurations magnétiques du graphène (Cet article ne doit pas être confondu avec l’article graphème.), dont certaines de façon inédite. Cette méthode d'exploration (L'exploration est le fait de chercher avec l'intention de découvrir quelque chose d'inconnu.) innovante ouvre tout (Le tout compris comme ensemble de ce qui existe est souvent interprété comme le monde ou...) un champ (Un champ correspond à une notion d'espace défini:) pour étudier les propriétés électroniques singulières des nouveaux matériaux (Un matériau est une matière d'origine naturelle ou artificielle que l'homme façonne pour en...) bidimensionnels.

De nombreux métaux présentent des propriétés magnétiques, le fer (Le fer est un élément chimique, de symbole Fe et de numéro atomique 26. C'est le...) en étant l'exemple le plus connu. Ce magnétisme (Le magnétisme est un phénomène physique, par lequel se manifestent des forces...), ferromagnétisme (Le ferromagnétisme est la propriété qu'ont certains corps de s'aimanter très...) dans le cas du fer, résulte d'une part du moment magnétique (En magnétostatique, soit une distribution de courants permanents à support compact de volume V.) des électrons, lié à leur spin (Le spin est une propriété quantique intrinsèque associée à chaque...), et d'autre part des interactions répulsives que subissent entre eux les électrons des métaux, qui tendent à aligner tous les spins dans la même direction. Dans le graphène - une feuille (La feuille est l'organe spécialisé dans la photosynthèse chez les végétaux...) monoatomique de carbone (Le carbone est un élément chimique de la famille des cristallogènes, de symbole C,...) formant (Dans l'intonation, les changements de fréquence fondamentale sont perçus comme des variations de...) un cristal (Cristal est un terme usuel pour désigner un solide aux formes régulières, bien que...) bidimensionnel - les électrons possèdent, en plus du spin, un second degré de liberté (La notion de degré de liberté recouvre plusieurs notions en sciences et ingénierie :) appelé vallée (Une vallée est une dépression géographique généralement de forme...), associé à la structure énergétique des électrons (structure de bande) particulière qui est dédoublée. Comme le spin, la vallée peut être considérée comme un aimant (Un aimant est un objet fabriqué dans un matériau magnétique dur, c’est-à-dire dont le...) microscopique porté par l'électron (L'électron est une particule élémentaire de la famille des leptons, et possèdant une charge...), et qui peut pointer dans n'importe quelle direction.


Schéma et images de plusieurs phases magnétiques observées pour des degrés d'écrantage des interactions électroniques croissants et pour différentes intensités du champ magnétique (14 T ou 4 T). Le graphène repose sur une couche de nitrure de bore (Le bore est un élément chimique de symbole B et de numéro atomique 5.) hexagonal (hBN), le tout sur un substrat de SiO2 (a) ou de SrTiO3 (b-c). C'est la différence de constante diélectrique (La constante diélectrique ou constante électrique, également nommée permittivité du vide ou...) entre les substrats et l'épaisseur de la couche de hBN qui permettent de moduler l'écrantage.
(a) spins appariés sur les doubles liaisons du modèle de Kékulé (KB = Kékulé bond),
(b) spins appariés sur les sites atomiques (CDW = Charge-density wave), la paire (On dit qu'un ensemble E est une paire lorsqu'il est formé de deux éléments distincts...) d'électron étant localisée sur un atome (Un atome (grec ancien ἄτομος [atomos], « que...) sur deux, i.e. sur un seul des deux sous-réseaux du réseau (Un réseau informatique est un ensemble d'équipements reliés entre eux pour échanger des...) hexagonal du graphène. Dans ce régime d'effet Hall (L'effet Hall classique a été découvert en 1879 par Edwin Herbert Hall : un courant...) quantique, il y a une correspondance (La correspondance est un échange de courrier généralement prolongé sur une longue période. Le...) directe entre la vallée et le sous-réseau (Le mot sous-réseau a deux significations. Sa signification ancienne mais plus générale est un...) atomique et cet arrangement (La notion d'arrangement est utilisée en probabilités, et notamment pour les...) des électrons est donc la signature à l'échelle atomique du magnétisme de vallée,
(c) ordre de type ferromagnétique (F) et antiferromagnétique (CAF = canted antiferromagnétique).

Grâce à la mise au point (Graphie) d'une nouvelle expérience d'imagerie (L’imagerie consiste d'abord en la fabrication et le commerce des images physiques qui...) fonctionnant en champ magnétique intense et à très basse température (La température est une grandeur physique mesurée à l'aide d'un thermomètre et...), une équipe conduite par des physiciens de l'Institut (Un institut est une organisation permanente créée dans un certain but. C'est...) Néel à Grenoble (NEEL, CNRS/UGA) a mis en évidence un type de magnétisme inédit impliquant non seulement le magnétisme de spin, comme pour les métaux, mais aussi le magnétisme de vallée. Pour cela, ils ont inventé une façon d'explorer expérimentalement les phases magnétiques du graphène en jouant pour aligner les spins ou les vallées, non seulement sur l'intensité du champ magnétique, mais aussi, via un substrat adéquat, sur la force (Le mot force peut désigner un pouvoir mécanique sur les choses, et aussi, métaphoriquement, un...) des interactions répulsives entre les électrons. Ces résultats sont publiés dans la revue Nature.

Lorsqu'on applique un champ magnétique intense, le graphène entre dans le régime de l'effet Hall quantique pour lequel les électrons sont localisés dans des orbites circulaires et ne contribuent plus à la conductivité. Dans ce régime, les électrons n'ont plus d'énergie cinétique (L'énergie cinétique (aussi appelée dans les anciens écrits vis viva, ou force vive) est...) et les effets d'interaction (Une interaction est un échange d'information, d'affects ou d'énergie entre deux agents au sein...) dominent, conduisant à un alignement total ( Total est la qualité de ce qui est complet, sans exception. D'un point de vue comptable, un...) des spins ou des vallées nommé ferromagnétisme de Hall quantique.

En mesurant la répartition spatiale de la densité (La densité ou densité relative d'un corps est le rapport de sa masse volumique à la...) d'électrons à l'échelle du réseau atomique à l'aide d'un microscope à effet tunnel (Le microscope à effet tunnel (en anglais STM, Scanning Tunneling Microscope) fut inventé en 1981...), les chercheurs ont mis en évidence différentes phases magnétiques, certaines de vallées, d'autres de spin, et notamment pour la première fois une phase (Le mot phase peut avoir plusieurs significations, il employé dans plusieurs domaines et...) de vallée correspondant à une onde (Une onde est la propagation d'une perturbation produisant sur son passage une variation...) de densité de charge (La densité de charge électrique correspond au rapport de la charge sur le volume. Elle peut être...) pour laquelle un site de carbone sur deux est occupé par les électrons (figure). Ils ont montré qu'il était possible de favoriser l'une ou l'autre de ces phases magnétiques en jouant sur l'environnement (L'environnement est tout ce qui nous entoure. C'est l'ensemble des éléments naturels et...) diélectrique du graphène qui modifie la force des interactions entre électrons (figure). Ces phases qui ont été induites et observées constituent des systèmes modèles pour la compréhension des systèmes électroniques corrélés et des phases topologiques de la matière (La matière est la substance qui compose tout corps ayant une réalité tangible. Ses...).

Références:
Imaging tunable quantum (En physique, un quantum (mot latin signifiant « combien » et qui s'écrit...) Hall broken-symmetry orders in graphene.
A. Coissard, D. Wander, H. Vignaud, A. G. Grushin, C. Repellin, K. Watanabe, T. Taniguchi, F. Gay, C.Winkelmann, H. Courtois, H. Sellier, B. Sacépé, Nature, paru le 04 mai 2022.
DOI: 10.1038/s41586-022-04513-7
Archives ouvertesHAL et ArXiv
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