Quand le graphène twiste, les dislocations ont le tournis

Le graphène bicouche twisté est un nouveau matériau qui suscite l'attention de la recherche fondamentale autour de ses propriétés originales, notamment comme supraconducteur non conventionnel. Les chercheurs de l'Irig et de l'Université (Une université est un établissement d'enseignement supérieur dont l'objectif est la...) de l'Illinois ont proposé un modèle plus réaliste basé sur la théorie (Le mot théorie vient du mot grec theorein, qui signifie « contempler, observer,...) des dislocations qui reproduit plus précisément ses propriétés électroniques.


Depuis une décennie, le graphène bicouche twisté à un certain angle critique est un domaine de recherche (La recherche scientifique désigne en premier lieu l’ensemble des actions entreprises en vue...) fascinant en physique (La physique (du grec φυσις, la nature) est étymologiquement la...) de la matière (La matière est la substance qui compose tout corps ayant une réalité tangible. Ses...) condensée. Ce matériau (Un matériau est une matière d'origine naturelle ou artificielle que l'homme façonne...) se compose de deux couches de graphène superposées selon un angle de rotation de 1,08 degré précisément. A cet angle dit "magique" la structure cristalline (La structure cristalline (ou structure d'un cristal) est complètement décrite par les...) est soumise à différents effets qui modifient les propriétés électroniques, notamment le matériau devient supraconducteur. Cependant, le modèle théorique proposé il y a plusieurs années ne permettait pas d'interpréter la propriété supraconductrice dans le graphène bicouche twisté.

Les chercheurs de l'Irig et de l'Université de l'Illinois à Urbana-Champaign se sont donc penchés sur ce modèle initial en ajoutant aux dislocations de type vis, induites par le twist, des boucles de dislocations de type coin [1,2]. Les dislocations mixtes forment ainsi une surface hélicoïdale à la topologie ondulée (illustrée par le chemin arc-en-ciel sur la figure ci-dessous.

Cette topologie mixte des dislocations a un effet drastique au niveau de la structure électronique, dont le dernier niveau d'énergie n'est que partiellement rempli. Ceci explique la brisure de symétrie observée pour la phase supraconductrice.

Les études sur la physique du graphène bicouche twisté ont permis de mieux comprendre les différentes caractéristiques de ce nouveau matériau grâce à la prise en compte de la nature complète des dislocations sous-jacentes. La théorie des dislocations devient ainsi un outil puissant pour interpréter la physique des matériaux constitués d'empilements de couches.

Références:

[1] Tawfiqur Rakib, Pascal Pochet, Elif Ertekin and Harley T. Johnson
Corrugation-driven symmetry breaking in magic-angle twisted bilayer graphene.
Communications Physics 2022.

[2] Tawfiqur Rakib, Pascal Pochet, Elif Ertekin and Harley T. Johnson
Helical dislocation in twisted bilayer graphene.
Extreme Mechanics Letters 2023.