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Visualiser des cristaux électroniques exotiques dans le graphène


Visualiser des cristaux électroniques exotiques dans le graphène

Dans un solide habituel, les atomes ou molécules se figent en dessous de la température de fusion pour former un cristal. De la même manière mais moins connue, aussi les électrons peuvent se solidifier pour donner lieu à ce qu’on appelle un cristal de Wigner. Dans un gaz d’électrons bi-dimensionnel, c’est-à-dire quand les électrons sont confinés à une surface ou interface, l’application d’un champ magnétique peut renforcer cette tendance de cristallisation, et l’on peut trouver des solides encore plus exotiques, comme un cristal de bulles avec plusieurs électrons par site du réseau.

 

La découverte récente du graphène, une seule couche de graphite de l’épaisseur d’un atome où les électrons vivent à la surface, donne la possibilité de voir directement ces électrons in situ. Cette situation doit être contrastée à celle des gaz d’électrons bi-dimensionnels habituels, qui sont pour ainsi dire enterrés dans les profondeurs d’un semiconducteur hébergeant ces gaz (comme dans des hétérostructures d’arsenure de gallium). Les électrons dans le graphène sont alors directement accessibles, par exemple par la spectroscopie à effet tunnel, et l’on peut ainsi espérer d’observer aussi directement les phases électroniques solides exotiques mentionnées en haut.

 

Dans le cadre d’une collaboration franco-néerlandaise, O. Poplavskyy (LPS, maintenant à l’université de Cambridge), M.O. Goerbig (LPS) et C. Morais Smith (Université d’Utrecht) ont étudié en détail la densité d’états locale – un paysage de densité électronique à énergie constante – de ces cristaux électroniques dans le graphène à fort champ magnétique [1]. En calculant plus précisément des motifs de densité pour le cristal de Wigner et le cristal de bulles avec deux et trois électrons par bulle, ils ont pu mettre en évidence une relation d’échelle qui permet de déduire le comportement des cristaux de bulles complexes à partir de la connaissance de celui du cristal de Wigner. Ces motifs de densité pourraient trouver une vérification directe dans de futures mesures de spectroscopie par effet tunnel.

 

Figure : Examples de motifs de la densité d’états locale pour le cristal de Wigner à différentes énergies caractéristiques.

 

[1] O. Poplavskyy, M. O. Goerbig et C. Morais Smith, Phys. Rev. B 80, 195414 (2009) ; suggestion de lecture de l’éditeur.