[News] Quand le graphène twiste, les dislocations ont le tournis

[Adrien]

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 de l’Illinois ont proposé un modèle plus réaliste basé sur la théorie des dislocations qui reproduit plus précisément ses propriétés électroniques.

Figure: Vue de dessus d’une bicouche de graphène twisté à l’angle magique 1,08°.
En forme de nid d'abeille (en rouge) la couche supérieure n’étant pas plate, son ondulation se repère par la zone en filigrane jaune: située entre les deux couches, elle masque une partie de la couche passant en dessous d’elle. La combinaison des dislocations vis (flèche droite) et coin en boucle (cercles) est une dislocation hélicoïdale suivant un chemin vallonné de couleurs arc-en-ciel. En bleu, la densité électronique est représentée au centre et aux coins selon une symétrie brisée correspondant aux propriétés supraconductrices.

Depuis une décennie, le graphène bicouche twisté à un certain angle critique est un domaine de recherche fascinant en physique de la matière condensée. Ce matériau 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 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.

Source: CEA IRIG