Accueil > Français > A noter > Faits marquants > Archives 2006

Le graphène se gondole sous champ magnétique


Le graphène se gondole sous champ magnétique
Spontaneous Parity Breaking of Graphene in the Quantum Hall Regime, Jean-Noël Fuchs et Pascal Lederer, Phys. Rev. Lett. 98, 016803 (2007)

 

Le graphite est la forme cristalline ordinaire du carbone. C’est le carbone des mines de crayon. Il a une structure en couches appelées feuilles de graphène. Une seule feuille de graphène isolée constitue un cristal bidimensionnel plan dont l’épaisseur est celle d’un atome de carbone. Ce cristal d’atomes de carbone est dit en nid d’abeille à cause de sa structure en cellules hexagonales (Fig. 1). Du point de vue du transport de l’électricité, le graphène est un drôle de métal - on dit que c’est un semiconducteur à gap nul. En effet, dans le plan de graphène, le mouvement des électrons de conduction est étonnant : ces derniers s’y comportent comme si leur masse était nulle - on dit que leur masse effective est nulle. De ce point de vue, ils ressemblent aux photons, les célèbres particules de lumière dont la masse est réellement nulle, mais la vitesse des électrons dans le graphène est environ 300 fois plus petite que celle de la lumière.

 

Figure 1. Une feuille de graphène (à gauche) est un cristal bidimensionnel d’atomes de carbone dont la structure rappelle celle d’un nid d’abeille (à droite).

 

Ces étranges propriétés électroniques avaient été prédites dans les années 40 par Wallace [1], mais jamais observées faute d’arriver à isoler et à manipuler une monocouche de graphite. De nombreuses autres formes de carbone dérivées du graphite sont connues et réalisées depuis des années : les fullerènes (dont le fameux ballon de football en carbone C60, les nanotubes, etc.) Mais pas la monocouche plane de graphite. En 2005, des chercheurs de l’Université de Manchester sont parvenus à déposer une unique feuille de graphène - de seulement quelques micromètres carrés - sur un substrat de silicium et à y faire passer un courant électrique [2]. Leurs mesures ont confirmé les prédictions théoriques : le mouvement des électrons se fait bien avec une masse effective nulle. Suite à cette percée expérimentale, de nombreux autres chercheurs se sont lancés dans la réalisation et l’étude du graphène. Une autre surprise est alors venue des États-unis où des chercheurs de Columbia ont vu que sous un fort champ magnétique, les électrons acquièrent une petite masse effective non nulle [3]. Or la théorie du graphène [1] est formelle : cette masse effective devrait être exactement zéro...

 

a) b)
Figure 2. Un atome de carbone sur deux (en bleu) s’éloigne du substrat en sortant du plan de la feuille de graphène, alors que l’autre (en blanc) s’en rapproche : la feuille est gondolée. Le champ magnétique B est perpendiculaire au plan de graphène. a) vue du dessus ; b) vue latérale.

 

Pour tenter de résoudre cette contradiction, des chercheurs du Laboratoire de Physique des Solides d’Orsay ont suggéré qu’en présence d’un fort champ magnétique et en raison de l’interaction des atomes de carbone avec ceux du substrat, la feuille de graphène se déforme spontanément hors du plan [4] : un atome de carbone sur deux sort du plan de la feuille en s’éloignant du substrat alors que l’autre carbone s’en rapproche (Fig. 2). La feuille de graphène n’est alors plus plane mais gondolée comme une boîte à œufs - mais avec une déformation très petite. Dans un tel cristal gondolé, à cause de la déformation, le calcul montre que la masse effective des électrons n’est plus nulle ! Ceci a pour conséquence de dissiper la contradiction apparente et permet de comprendre les expériences de Jiang et coll. [3]. En résumé, on peut dire que la masse effective des électrons dans le graphène dépend du champ magnétique : elle est nulle à faible champ quand la feuille de graphène est plane, et petite quand le champ est fort et que la feuille se gondole.

 

D’autres explications théoriques à l’apparition d’une masse effective non nulle ont été avancées. Ces dernières se basent toutes sur le rôle des interactions électriques entre les électrons. L’originalité de la proposition d’Orsay [4] est de faire intervenir, à la place, le couplage des électrons aux vibrations du cristal de graphène (on parle d’interactions électron-phonon), ce qui conduit à sa déformation. Pour savoir quelle est la bonne explication, il faut attendre que de nouvelles expériences tranchent la question !

 

[1] P.R. Wallace, Phys. Rev. 71, 622 (1947).

[2] K.S. Novoselov et. al., PNAS 102, 10451 (2005).

[3] Z. Jiang, J. P. Small, M. S. Purewal, Y.-W. Tan, M. Fazlollahi, J. D. Chudow, J. A.

Jaszczak, H. L. Stormer, et P. Kim, Phys. Rev. Lett. 96, 136806 (2006).

[4] J.-N. Fuchs et P. Lederer, à paraître dans Phys. Rev. Lett. 97 (24 novembre 2006).

 

Contacts :

Jean-Noël Fuchs, 01 69 15 69 27, fuchs@lps.u-psud.fr
Pascal Lederer, 01 69 15 53 08, lederer@lps.u-psud.fr