Les physiciens ont créé une autoroute du graphène à cinq voies pour les électrons, ce qui pourrait ouvrir la voie à une électronique ultra-efficace et bien plus encore. Le travail s’articule autour d’une forme unique de mine de crayon connue sous le nom de graphène pentacouche rhomboédrique.
Long Ju est professeur adjoint au Département de physique du MIT et auteur correspondant de l’article. Il explique : « Cette découverte a des implications directes pour les appareils électroniques de faible puissance car aucune énergie n’est perdue lors de la propagation des électrons, ce qui n’est pas le cas dans les matériaux ordinaires où les électrons sont diffusés. »
Des déplacements fluides pour les électrons
Le phénomène découvert par l’équipe est similaire aux voitures circulant sur une autoroute à péage ouverte, par opposition à celles qui traversent les quartiers.
Dans les matériaux ordinaires, les électrons peuvent être arrêtés ou ralentis par d’autres facteurs, tout comme les voitures d’un quartier peuvent être perturbées par des arrêts brusques ou des demi-tours. Cependant, dans le graphène pentacouche rhomboédrique, les électrons peuvent voyager sans entrave.
“Nous avons trouvé une mine d’or et chaque scoop révèle quelque chose de nouveau”, explique Ju, qui est également affilié au laboratoire de recherche sur les matériaux du MIT. Le matériau a été découvert pour la première fois il y a deux ans par des physiciens dirigés par Ju.
Naissance de l’autoroute du graphène
Dans un Nature Nanotechnologie Dans un article d’octobre dernier, Ju et ses collègues ont rapporté la découverte de trois propriétés importantes découlant du graphène rhomboédrique.
Ils ont montré qu’il pouvait être topologique, permettant le mouvement sans entrave des électrons autour du bord du matériau mais pas à travers le milieu. Cela a abouti à une autoroute, mais a nécessité l’application d’un champ magnétique important.
Dans le cadre des travaux en cours, l’équipe a réussi à créer l’autoroute sans aucun champ magnétique.
Tonghang Han est étudiant diplômé en physique du MIT et co-premier auteur de l’article. Il note : « Nous ne sommes pas les premiers à découvrir ce phénomène général, mais nous l’avons fait dans un système très différent. Et comparé aux systèmes précédents, le nôtre est plus simple et prend également en charge davantage de canaux électroniques.
Autoroute alimentée au graphène rhomboédrique
La mine de crayon, ou graphite, est composée de graphène, une seule couche d’atomes de carbone disposés dans une structure en forme de nid d’abeille.
Le graphène rhomboédrique est composé de cinq couches de graphène empilées dans un ordre spécifique qui se chevauchent.
Ju et ses collègues ont isolé cette forme unique de graphène grâce à un nouveau microscope Ju construit au MIT en 2021, capable de déterminer rapidement et à relativement peu de frais une variété de caractéristiques importantes d’un matériau à l’échelle nanométrique.
Dans le cadre des travaux en cours, l’équipe a ajouté une couche de bisulfure de tungstène (WS2) au système d’origine.
“L’interaction entre le WS2 et le graphène rhomboédrique pentacouche a abouti à cette autoroute à cinq voies qui fonctionne avec un champ magnétique nul”, explique Ju.
Effet Hall anormal quantique
Le phénomène qui permet aux électrons de voyager sans résistance à un champ magnétique nul dans le graphène rhomboédrique est connu sous le nom d’effet Hall anormal quantique.
Ceci est différent de la supraconductivité, qui fait la même chose mais se produit dans des matériaux très différents.
Ju note que bien que les supraconducteurs aient été découverts dans les années 1910, il a fallu environ 100 ans de recherche pour les faire fonctionner à des températures plus élevées nécessaires à leurs applications.
De même, l’autoroute du graphène rhomboédrique fonctionne actuellement à environ 2 Kelvin, ou -456 Fahrenheit.
« Il faudra beaucoup d’efforts pour élever la température, mais en tant que physiciens, notre travail consiste à fournir des informations ; une manière différente de réaliser cela [phenomenon]”, dit Ju.
La persévérance et la recherche minutieuse portent leurs fruits
Les découvertes impliquant le graphène rhomboédrique sont le résultat de recherches inlassables dont l’efficacité n’était pas garantie.
Han partage : « Nous avons essayé de nombreuses recettes pendant plusieurs mois. C’était donc très excitant de refroidir le système à une température très basse et de le faire. [a five-lane superhighway operating at zero magnetic field] vient de sortir.
Ju conclut : « C’est très excitant d’être le premier à découvrir un phénomène dans un nouveau système, en particulier dans un matériau que nous avons découvert. »
Nouvelle ère dans le transport d’électrons
En résumé, la découverte de l’autoroute électronique à cinq voies dans le graphène pentacouche rhomboédrique marque une étape importante dans le domaine de la physique et de l’électronique.
Les efforts inlassables de Long Ju, Tonghang Han et de leurs collègues du MIT ont ouvert de nouvelles possibilités pour les appareils électroniques ultra-efficaces et à faible consommation.
Même s’il reste encore un long chemin à parcourir pour rendre cette technologie pratique pour les applications quotidiennes, les physiciens ont jeté les bases d’une nouvelle ère dans le transport d’électrons.
Alors qu’ils continuent d’explorer les propriétés de cette forme unique de graphène, nous pouvons nous attendre à des percées encore plus intéressantes à l’avenir.
L’autoroute graphène-électrons à cinq voies n’est que le début d’un voyage qui pourrait révolutionner la façon dont nous pensons et concevons les appareils électroniques.
L’étude complète a été publiée dans la revue Science.
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2024-05-24 00:47:25
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