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Graphène et atomes froids : quand les particules jouent avec leur masse


Le graphène est un matériau carboné fascinant isolé en 2004. C’est le premier cristal à ne posséder que deux dimensions spatiales et semblable à une feuille dont l’épaisseur est d’un seul atome. Tout aussi remarquable, les électrons s’y propagent comme des particules sans masse, un peu comme les photons de la lumière. Au siècle dernier, le physicien anglais P.A.M. Dirac avait compris comment décrire des électrons dans le vide se propageant à des vitesses proches de celle de la lumière. Les « électrons de Dirac » du graphène sont bien plus lents mais ont les mêmes propriétés. Il y a quelques années, une équipe de théoriciens du Laboratoire de Physique des Solides d’Orsay (LPS) a prédit que si on déformait suffisamment un cristal de graphène, ces électrons pourraient redevenir massifs d’une manière originale: avec une masse uniquement dans une direction mais pas dans l’autre ! [1] Malheureusement ce régime hybride ne peut être atteint dans la feuille de graphène, car il est impossible de la déformer suffisamment sans la déchirer.

 

Récemment une équipe d’expérimentateurs de Zürich a réalisé un gaz d’atomes ultra-froids se déplaçant dans un paysage modelé par des faisceaux lasers pour créer une sorte de « graphène artificiel » [2]. Les atomes jouent alors le rôle des électrons et les faisceaux lasers ceux du réseau cristallin du graphène. Ce « graphène artificiel » peut être manipulé et déformé à volonté. En utilisant cette astuce, les expérimentateurs ont pu atteindre la limite requise pour observer la réapparition d’une masse pour les « électrons » du « graphène artificiel». En accélérant les atomes et en observant leur évolution des basses vers les hautes énergies (les bandes de valence et de conduction), il est possible de mettre en évidence l’existence ou non d’une masse.

 

Les théoriciens du LPS ont donné une explication complète des expériences réalisées, grâce au modèle mis au point dans le même groupe il y a quelques années. Ils ont pu calculer la probabilité pour un atome de transfert d’une bande à l’autre, en fonction de la direction de l’accélération, et confirmer ainsi le scénario proposé [3]. Leur travail permet maintenant d’envisager l’étude de particules hybrides dont la masse s’annule dans une seule direction.

 

 

Figure : a) Dans le réseau non déformé, le spectre est celui d’une particule sans masse avec deux « cônes de Dirac »: l’énergie varie linéairement avec l’impulsion. c) Dans le graphène très déformé, l’énergie varie comme le carré de l’impulsion, c’est-à-dire comme une particule massive. b) Entre ces deux régimes, il y a une masse dans une direction mais pas dans l’autre. Les résultats expérimentaux pour la probabilité de transfert sont présentés sous les trois spectres correspondants. La partie centrale représente la proportion non transférée et les satellites la proportion transférée.

 

Réferences :

[1] Merging of Dirac points in a two-dimensional crystal, G. Montambaux, F. Piéchon, J.-N. Fuchs et M.O. Goerbig, Phys. Rev. B 80, 153412 (2009).

[2] Creating, moving and merging Dirac points with a Fermi gas in a tunable honeycomb lattice, L. Tarruell, D. Greif, T. Uehlinger, G. Jotzu and T. Esslinger, Nature 483, 302 (2012)

[3] Bloch-Zener oscillations across a merging transition of Dirac points , L.-K. Lim, J.-N. Fuchs et G. Montambaux, Phys. Rev. Lett. 108, 175303 (2012).

 

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