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Le graphène au « micro-ondes »


Grâce à ses propriétés inédites, tant mécaniques que thermiques, électriques et optiques, le graphène, cristal bidimensionnel de carbone, permet de revisiter des concepts fondamentaux de la matière condensée et il autorise les propositions les plus hardies en matière d’applications. Certaines des propriétés spécifiques du graphène se retrouvent dans d’autres systèmes physiques comme les atomes froids dans des réseaux optiques, les cristaux photoniques, ou des cristaux artificiels adsorbés sur une surface métallique (le graphène moléculaire) : on parle alors de « graphène artificiel ». L’intérêt de ces systèmes est qu’il est possible d’y révéler certains effets physiques inatteignables dans le graphène. C’est par exemple la « fusion des points de Dirac », une modification profonde du spectre d’énergie, qui a été récemment observée dans un cristal d’atomes froid (voir fait marquant 2012). C’est une transition (dite topologique) entre une phase « semi-métallique » et une phase isolante dont les caractéristiques avaient été prévues dans l’équipe des théoriciens du Laboratoire de Physique des Solides.

 

Récemment, des physiciens du Laboratoire de Physique de la Matière Condensée à Nice et du LPS ont substitué au transport électronique dans le potentiel périodique créé par les atomes de carbone, le transport de micro-ondes dans un réseau en nid d’abeilles de cylindres diélectriques résonnants. En appliquant une compression homogène au réseau, ils ont pu observer cette transition topologique, et mettre en évidence l’apparition concomitante d’états exotiques sur les bords du système.

 

Le dispositif expérimental développé par l’équipe niçoise autorise un parfait contrôle du réseau formé par les cylindres diélectriques d’un diamètre et d’une hauteur de l’ordre du centimètre, la distance entre résonateurs voisins fixant l’intensité du couplage électromagnétique. La configuration des bords du système, connue pour jouer un rôle dominant dans le transport, est ici facile à maitriser, contrairement au graphène. Dans l’étude publiée dans la revue Physical Review Letters, le système initial prend la forme d’un hexagone avec des bords lisses (des bords dits « armchairs ») sur ses 6 arêtes. La densité d’états de ce graphène « micro-ondes » présente une structure conique au voisinage d’un «point de Dirac ». Le dispositif expérimental permet de mesurer, pour chacune des fréquences permises, la répartition spatiale du champ micro-ondes. Dans la situation initiale, aucune concentration particulière d’énergie sur les bords n’est observée : il n’y a pas «d’états de bord». Lorsqu’une compression le long d’un des axes cristallins est effectuée, la densité d’états au voisinage du point de Dirac change de nature, et au-delà d’une compression critique apparaît une bande de fréquences interdites. La déformation a également pour effet de faire apparaître des états localisés sur les bords qui coupent l’axe de compression ; la concentration de l’énergie sur les bords étant d’autant plus importante que la compression est forte.

 

Les chercheurs s’orientent maintenant, d’une part, sur une étude approfondie des états de bords pour des contours plus complexes. D’autre part, en réalisant une compression inhomogène, ils tentent de simuler l’action d’un pseudo-champ magnétique et de mettre, alors, en évidence l’apparition de niveaux de Landau.

 


 

Distributions de l’intensité du champ électrique, du blanc (min.) au rouge (max.), mesurées à une fréquence particulière correspondant au point de Dirac.

1. Cas d’une structure régulière: aucun état n’est associé à cette fréquence.

2. Cas d’une structure faiblement compressée : des états apparaissent.

3. Cas d’une structure fortement compressée : les états sont principalement localisés sur les bords.

 

Référence :

 

Topological transition of Dirac points in a microwave experiment,
M. Bellec, U. Kuhl, G. Montambaux and Mortessagne,
Phys. Rev. Lett. 110, 033902 (2013).

 

Contact LPS:

 

Gilles Montambaux (gilles.montambaux@u-psud.fr)

 

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