Une nouvelle propriété du graphène mise en évidence

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Des chercheurs de L’université de Rutgers, dans le New Jersey, ont découvert de nouvelles propriétés électroniques du Graphène, ce matériau composé d’atomes de carbone disposés en feuillets et qui, depuis sa découverte, promet un bel avenir à l’électronique post silicium, grâce à ses propriétés conductrices qui sont excellentes.

La découverte, considérée théoriquement possible par les physiciens théoriciens, montre que les électrons dans le graphène peuvent interagir fortement entre eux. Le comportement est similaire à la supraconductivité observée dans certains métaux et matériaux complexes, marqués par le courant électrique sans résistance. Dans le graphène, ce comportement résulte d’une nouvelle phase « liquide » de matière consistant en des quasi-particules partiellement chargées, et dans lesquelles la charge est transportée sans dissipation.

Les professeurs Eva Andrei et ses collègues de l’université de Rutgers notent que la forte interaction entre les électrons, appelée aussi comportement corrélé, n’avait jamais été observée dans le graphène en dépit de nombreuses tentatives pour la mettre en évidence. Cela a conduit certains chercheurs à la question de savoir si le comportement corrélé pourrait être possible finalement dans le graphène, où les électrons sont des particules sans masse (ultra relativistes) comme les photons ou les neutrons. Dans la plupart des matériaux, les électrons ont une masse.

L’équipe de chercheurs a décrit comment elle a observé le comportement corrélé des porteurs de charges ultra-relativistes dans le graphène grâce au phénomène de l’effet Hall quantique fractionnaire (fractional quantum Hall effect, FQHE). Ce phénomène est observé lorsque le mouvement des porteurs de charges est confiné à deux dimensions et sont sujets à un champ magnétique perpendiculaire.

Lorsque les interactions entre ces porteurs de charges sont suffisamment fortes, ils forment de nouvelles quasi-particules portant une fraction de la charge élémentaire d’un électron. Ce phénomène est la preuve d’un comportement fortement corrélé entre les particules porteuses de charges en deux dimensions. Le FHQE est connu pour exister dans les systèmes d’électrons à deux dimensions dans des semiconducteurs, où les électrons sont des particules ayant une masse qui obéissent à la dynamique conventionnelle, à l’opposé de la dynamique relativiste de particules non massives. Cependant, cela n’était pas évident, jusqu’à maintenant, que cela ait lieu dans le graphène, et que ce phénomène donne lieu à l’effet Hall quantique fractionnaire.

Le fait que personne n’avait réussi auparavant à montrer ce comportement corrélé n’était pas dû à la nature physique du graphène, mais plutôt aux interférences venant du matériau qui supportait les échantillons de graphène, et le type de sondes électriques utilisées pour les caractérisations. Les scientifiques ont obtenu le graphène par exfoliation mécanique du graphite, c’est-à-dire simplement en utilisant du ruban adhésif classique pour arracher des couches de graphène, que l’on dépose ensuite sur une plaque de silicium. Mais à cause des impuretés et des irrégularités du silicium, les scientifiques n’étaient pas capables d’observer le FHQE.

Le Post Doc Xu Du et son étudiant Anthony Barker ont été capables de montrer que retirer plusieurs couches du dioxyde de silicium en dessous des couches de graphène laisse la bande de graphène intacte en suspension, entre deux électrodes. Cela a permis au groupe de démontrer que les porteurs de charge dans le graphène suspendu se propagent sans rencontrer d’impuretés. Une autre étape cruciale pour observer le phénomène était de concevoir et de fabriquer une sonde qui n’influe pas les résultats de mesures, ce qui d’après Andrei était aussi un obstacle à l’observation du phénomène. Les résultats obtenus prouvent le bien-fondé de ces précautions.

Cette découverte devrait encourager les scientifiques à pousser plus loin le graphène et les matériaux similaires pour l’électronique du futur, à l’heure où les experts de l’industrie du silicium annoncent la limite physique de l’évolution des performances de la microélectronique.