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Le twist de deux feuilles de graphène dans un champ magnétique


Le twist de deux feuilles de graphène dans un champ magnétique

Le graphène continue de surprendre les physiciens. Il change ainsi de comportement électronique lorsqu’on rajoute à une couche de graphène (une feuille de graphite de l’épaisseur d’un seul atome, où les atomes de carbones sont arrangés dans un réseau en nid d’abeille) une deuxième. On parle alors d’une bicouche de graphène. Alors qu’un empilement régulier est favorisé dans la nature – un atome sur deux de la couche inférieure a un partenaire directement dessus dans la couche supérieure (voir figure 1) – on rencontre également des cas avec un empilement moins régulier. À titre d’exemple on peut évoquer le cas où la couche supérieure est légèrement déplacée par rapport à celle d’en bas ou la “bicouche tournée”, où la deuxième couche est tournée par rapport à la première (figure 2). En anglais on parle aussi d’un “twist” entre les feuilles même si, contrairement à deux danseurs, l’angle de rotation reste figé. Ce dernier exemple est particulièrement intéressant car il est, d’un point de vue électronique, à mi-chemin entre la monocouche et la bicouche régulière de graphène : alors que les électrons de basse énergie ressemblent plutôt à ceux d’une seule feuille, ils se comportent, à haute énergie, comme des électrons dans une bicouche de graphène avec un empilement régulier.

 

 

Figure 1 : empilement régulier entre deux feuilles de graphène.

 

 

Figure 2 : twist entre deux feuilles de graphène : par rapport à l’empilement régulier, les feuilles sont tournées l’une contre l’autre.

 

Dans le cadre d’une collaboration avec Antonio Castro Neto de l’Université de Boston, qui était visiteur au LPS pendant un mois, et Francisco Guinea du CSIC à Madrid, une équipe du LPS a étudié théoriquement les électrons d’une bicouche tournée exposé à un fort champ magnétique [1]. Ce dernier crée des niveaux d’énergie quantifiée dont les conséquences peuvent être sondées expérimentalement par des mesures de magnéto-transport, c’est-à-dire de transport électronique dans un champ magnétique. Le passage entre les deux régimes d’énergie (basse énergie, avec un caractère plutôt monocouche de graphène, et haute énergie avec les propriétés de la bicouche avec empilement régulier) a une signature bien particulière dans le spectre des niveaux sous fort champ. Les premiers ont ainsi deux fois plus d’états que les derniers – on parle d’une dégénérescence deux fois plus grande. Le changement entre ces deux régimes de basse et de haute énergie est lui-même déterminé par l’angle de rotation entre les couches. Pour de petits angles, le régime de basse énergie peut ainsi être énormement rétréci, mais le niveau à énergie nulle reste toujours doublement dégénéré. Dans un publication récente [2], le groupe de Jurgen Smet et Klaus von Klitzing à l’Institut Max Planck de Stuttgart a confirmé le comportement prédit des niveaux de basse énergie, leur dégénérescence et le passage de basse à haute énergie dans des mesures de magnéto-transport.

 

Références :

[1] R. de Gail, M. O. Goerbig, G. Montambaux, F. Guinea et A. H. Castro Neto, Phys. Rev. B 84, 045436 (2011).
[2] D. S. Lee et al., Phys. Rev. Lett. 107, 216602 (2011).

 

Contact :

Mark Oliver Goerbig (goerbig@lps.u-psud.fr)