Depuis deux décennies, les physiciens cherchent à manipuler directement le spin des électrons dans des matériaux en deux dimensions tels que le graphène. Cette avancée pourrait révolutionner le domaine florissant de l’électronique 2D, où des dispositifs électroniques ultra-rapides, petits et flexibles utilisent des calculs basés sur la mécanique quantique.
Cependant, la mesure typique du spin des électrons – un comportement essentiel qui donne à tout dans l’univers physique sa structure – ne fonctionne généralement pas dans les matériaux 2D. En conséquence, il est extrêmement difficile de comprendre pleinement ces matériaux et de faire progresser les technologies qui en découlent.
Cependant, une équipe de chercheurs de l’Université Brown estime avoir trouvé une solution pour contourner cet obstacle de longue date. Ils décrivent leur solution dans une étude récemment publiée dans la revue Nature Physics.
Les chercheurs ont effectué leurs mesures sur un matériau relativement nouveau appelé “graphène bicouche torsadé à angle magique”. En tordant deux couches ultrafines de carbone, ils ont créé une nouvelle structure à double couche qui se comporte comme un supraconducteur, permettant à l’électricité de circuler sans résistance ni gaspillage d’énergie. La découverte de ce matériau en 2018 a suscité un grand intérêt en raison de son potentiel révolutionnaire.
Les chercheurs de l’Université Brown ont mesuré l’interaction directe entre les électrons tournant dans le matériau 2D et les photons provenant du rayonnement micro-ondes. L’absorption de ces photons micro-ondes par les électrons établit une nouvelle technique expérimentale pour étudier directement les propriétés de rotation des électrons dans ces matériaux quantiques 2D. Selon les chercheurs, cette technique pourrait servir de base au développement de technologies informatiques et de communication basées sur ces matériaux.
Les chercheurs du laboratoire de Li ont mesuré les changements subtils de la résistance électrique des électrons, qui ont été causés par les changements d’aimantation du rayonnement. Ces variations de courant ont permis de détecter que les électrons absorbaient les photons du rayonnement micro-ondes.
Les chercheurs ont pu observer de nouvelles informations issues des expériences. Par exemple, ils ont remarqué que les interactions entre les photons et les électrons faisaient que les électrons dans certaines sections du système se comportaient comme s’ils étaient dans un système anti-ferromagnétique.
Bien que les découvertes actuelles ne soient pas encore applicables à la technologie d’aujourd’hui, l’équipe de recherche estime que la nouvelle méthode d’étude du spin dans les matériaux 2D pourrait conduire à des applications potentielles à l’avenir. Ils prévoient de continuer à appliquer leur méthode au graphène bicouche torsadé, mais également de l’étendre à d’autres matériaux 2D.
L’expérience a été réalisée à distance en 2021 au Centre for Integrated Nanotechnologies du Nouveau-Mexique, avec le soutien théorique de Mathias S. Scheurer de l’Université d’Innsbruck. Le travail a été financé par la National Science Foundation, le département américain de la Défense et l’Office of Science du département américain de l’Énergie.
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