Un matériau avec un tour particulier

De nombreuses technologies modernes reposent sur des matériaux spéciaux, comme les semi-conducteurs, importants pour les ordinateurs, dans lesquels les électrons peuvent se déplacer plus ou moins librement. La liberté des électrons est déterminée par leurs propriétés quantiques et par la structure cristalline du matériau. La plupart du temps, ils se déplacent indépendamment les uns des autres. Toutefois, dans certaines conditions, de fortes interactions entre les électrons peuvent conduire à des phénomènes particuliers. Les supraconducteurs, dans lesquels les électrons s'associent par paires pour conduire le courant électrique sans résistance, en sont un exemple bien connu.

? l'Institut d'électronique quantique de Zurich, le professeur Ata? Imamo?lu de l'ETH Zurich étudie les matériaux contenant des électrons à forte interaction. Il souhaite mieux comprendre le comportement des électrons dans ces matériaux et est à la recherche de propriétés inattendues qui pourraient être intéressantes pour de nouvelles applications ultérieures. Dans un matériau "tordu", lui et ses collaborateurs viennent de faire des découvertes surprenantes sur le comportement des électrons, comme ils l'expliquent dans la revue spécialisée page externeNature rapporter.

Motifs moirés dans un cristal

Pour créer de manière contr?lée de fortes interactions entre les électrons, le groupe de travail d'Imamo?lu utilise des tranches ultrafines d'une couche de cristal de diséléniure de molybdène d'un atome d'épaisseur seulement. Ces disques sont également appelés matériaux bidimensionnels, car les électrons ne peuvent s'y déplacer librement que dans un seul plan. Cela suffit à créer une foule de propriétés surprenantes, comme celles que l'on observe par exemple dans le graphène, qui fait également partie des matériaux bidimensionnels.

Mais cela devient encore plus intéressant si l'on superpose deux disques de ce type et si l'on tourne légèrement leurs directions cristallines l'une par rapport à l'autre. On obtient alors un effet que l'on conna?t bien à la télévision : si quelqu'un porte une cravate ou une robe faite d'un tissu à carreaux ou à rayures, on voit parfois appara?tre à l'écran des motifs étranges. Ceux-ci sont également appelés motifs moirés.

Un phénomène similaire se produit dans les matériaux d'Imamo?lu. La torsion des deux disques crée une sorte de réseau cristallin moiré, qui correspond à un cristal fictif dont les atomes sont plus éloignés les uns des autres. Un tel cristal a une influence beaucoup plus faible sur le mouvement des électrons, de sorte que les interactions entre les électrons ont proportionnellement plus de poids.

Des propriétés étonnantes

"Selon la devise 'plus, c'est mieux', nous avons en outre inséré une fine couche d'un autre matériau entre les disques de diséléniure de molybdène", explique Yuya Shimazaki, post-doctorant principal dans le groupe de travail d'Imamo?lu. Cette couche de nitrure de bore permet d'éviter que les électrons n'aillent et viennent entre les deux disques tordus, malgré leur proximité. Si l'on applique ensuite une tension électrique au matériau, on peut ainsi contr?ler avec précision le nombre d'électrons qui s'y trouvent. Pour savoir comment les électrons se déplacent dans ce matériau sandwich, les chercheurs l'ont éclairé avec une lumière laser et ont ainsi stimulé les électrons.

"Notre matériau permet d'étudier les électrons avec des moyens optiques", explique Imamo?lu. "C'est un grand avantage par rapport à d'autres matériaux 2D comme le graphène" Les signaux lumineux émis par les électrons excités ont permis d'identifier de nombreuses propriétés étonnantes des électrons. Les physiciens ont trouvé le comportement le plus surprenant de leur matériau lorsqu'il contenait autant d'électrons qu'il y avait de points de grille dans les grilles de moiré des deux disques.

Dans ce cas, des états dits Mott-Isolator se sont formés dans les deux disques, dans lesquels exactement un électron occupe un emplacement du réseau. La particularité était que les états d'isolateur de Mott se stabilisaient mutuellement et ne pouvaient pas être déplacés, même par de forts champs électriques extérieurs, et donc qu'aucun courant ne circulait. "C'est la première fois qu'un tel comportement a pu être observé", explique Imamo?lu.

Un matériau idéal pour les recherches futures

Le nouveau matériau ouvre la porte à toute une série d'autres études passionnantes, car il est idéal pour des expériences contr?lées avec des électrons en forte interaction. Par le biais de la couche de nitrure de bore et de l'angle entre les tranches de diséléniure de molybdène, les chercheurs peuvent modifier les propriétés du matériau et la force des interactions. Cela leur permet d'étudier des processus physiques complexes qui sont difficiles à réaliser dans d'autres matériaux.