Une équipe collaborative de scientifiques de l'Université Cornell aux États-Unis, de l'Institut national des sciences des matériaux du Japon et de l'Institut Max Planck pour la structure et la dynamique de la matière en Allemagne a découvert des états quantiques inhabituels au sein du graphène à six couches. Bien que le graphène soit connu pour sa structure carbonée en nid d'abeille et son potentiel technologique, l'empilement de plusieurs couches peut produire des propriétés distinctes. Les chercheurs se sont concentrés sur le graphène hexacouche rhomboédrique, une configuration où six couches sont décalées latéralement selon un motif répétitif.
La découverte a été en quelque sorte accidentelle. L'auteur principal, Xiaomeng Liu, a expliqué que l'équipe visait initialement à étudier le graphène rhomboédrique tordu pour créer des bandes topologiques isolées. Cependant, dans un dispositif construit en empilant deux feuilles de trois couches, les couches se sont relâchées pour s'aligner, formant involontairement la structure rhomboédrique à six couches. Les mesures initiales sur ce matériau ont fait apparaître des comportements non rapportés auparavant dans les études sur le graphène à cinq couches, incitant à une exploration plus approfondie de son diagramme de phases.
Pour étudier ces propriétés, l'équipe a préparé des éclats présentant le motif d'empilement spécifique à six couches et les a placés entre des couches isolantes de nitrure de bore hexagonal avec des grilles à base de graphite. Ils ont effectué des mesures approfondies en faisant varier la température, les champs magnétiques, le nombre de porteurs de charge et l'intensité du champ électrique. Ces tests ont révélé une résistance électrique nulle indicative de la supraconductivité, ainsi qu'une réponse Hall anormale suggérant un magnétisme orbital entraîné par le mouvement des électrons. De plus, les oscillations quantiques ont permis à l'équipe de reconstruire la surface de Fermi et d'identifier les types de porteurs de charge présents.
L'étude a identifié plusieurs états électroniques, notamment des états isolants pilotés par les interactions, des régions présentant un comportement supraconducteur et deux types distincts de magnétisme orbital. Notamment, deux états semblables à la supraconductivité sont apparus spécifiquement dans des conditions où les porteurs d'électrons et de trous coexistaient. Liu a déclaré que les interactions entre ces deux types de porteurs semblent jouer un rôle central dans la formation de ces états inhabituels. Les résultats principaux incluent la découverte d'un nouvel état supraconducteur et d'un nouveau magnétisme orbital multiferroïque au sein de ce régime semi-métallique fortement corrélé.
Ces résultats soulignent le potentiel du graphène à six couches pour l'étude de la supraconductivité et des comportements magnétiques pilotés par les interactions électroniques. Les chercheurs enquêtent maintenant plus avant sur les origines microscopiques de l'état magnétique orbital multiferroïque observé. Liu a noté que les travaux en cours soulèvent la possibilité que certains porteurs forment un cristal d'électrons tandis que d'autres restent dans un état conducteur semblable à un liquide. Déterminer si ce cristal produit un magnétisme orbital ou réalise un solide électronique topologique reste une question ouverte pour des recherches futures.
Sources: Phys.org.