Une magnétorésistance record apparaît dans le graphène dans des conditions ambiantes, selon une nouvelle recherche menée par l’Université de Manchester.
La caractéristique la plus reconnaissable du spectre électronique du graphène est son point de Dirac, autour duquel des phénomènes intéressants ont tendance à se regrouper. À basse température, le comportement intrinsèque dans ce régime est souvent obscurci par l’inhomogénéité de charge, mais les excitations thermiques peuvent surmonter le désordre à des températures élevées et créer un plasma électron-trou de fermions de Dirac. Le plasma de Dirac s’est avéré présenter des propriétés inhabituelles, notamment la diffusion quantique critique et le flux hydrodynamique. Cependant, on sait peu de choses sur le comportement du plasma dans les champs magnétiques. Xin et al. rapportent le magnétotransport dans ce régime critique quantique. Crédit image : Université de Manchester.
Les matériaux qui modifient fortement leur résistivité sous des champs magnétiques sont très recherchés pour diverses applications et, par exemple, chaque voiture et chaque ordinateur contiennent de nombreux minuscules capteurs magnétiques.
Ces matériaux sont rares et la plupart des métaux et des semi-conducteurs ne modifient leur résistivité électrique que d’une infime fraction de pour cent à température ambiante et dans des champs magnétiques pratiquement viables (généralement, de moins d’un millionième de 1%).
Pour observer une forte réponse de magnétorésistance, les chercheurs refroidissent généralement les matériaux à des températures d’hélium liquide afin que les électrons à l’intérieur se dispersent moins et puissent suivre les trajectoires du cyclotron.
Dans la nouvelle recherche, le professeur Sir Andre Geim et ses collègues ont découvert que le graphène présente une réponse remarquablement forte, atteignant plus de 100 % dans les champs magnétiques des aimants permanents standard (d’environ 1 000 Gauss). Il s’agit d’une magnétorésistivité record parmi tous les matériaux connus.
“Les personnes travaillant sur le graphène comme moi ont toujours pensé que cette mine d’or de la physique aurait dû être épuisée depuis longtemps”, a déclaré le professeur Sir Geim.
“Le matériel nous prouve continuellement que nous avons tort de trouver une autre incarnation. Aujourd’hui, je dois admettre à nouveau que le graphène est mort, vive le graphène.
Pour y parvenir, les chercheurs ont utilisé du graphène de haute qualité et l’ont adapté à son état intrinsèque et vierge où il n’y avait que des porteurs de charge excités par la température.
Cela a créé un plasma de fermions de Dirac à déplacement rapide qui présentait une mobilité étonnamment élevée malgré une diffusion fréquente.
La mobilité élevée et la neutralité de ce plasma de Dirac sont des composants cruciaux pour la magnétorésistance géante rapportée.
“Au cours des 10 dernières années, la qualité électronique des appareils au graphène s’est considérablement améliorée, et tout le monde semble se concentrer sur la recherche de nouveaux phénomènes à basse température d’hélium liquide, ignorant ce qui se passe dans des conditions ambiantes”, a déclaré le Dr Alexey Berdyugin, chercheur à l’Université de Manchester et l’Université nationale de Singapour.
“Ce n’est peut-être pas si surprenant car plus votre échantillon est froid, plus son comportement devient généralement intéressant.”
“Nous avons décidé d’augmenter la température et, de manière inattendue, toute une série de phénomènes inattendus sont apparus.”
En plus de la magnétorésistivité record, les chercheurs ont également découvert qu’à des températures élevées, le graphène neutre devient un métal dit étrange.
C’est le nom donné aux matériaux où la diffusion des électrons devient finalement rapide, n’étant déterminée que par le principe d’incertitude de Heisenberg.
Le comportement des métaux étranges est mal compris et reste un mystère actuellement sous enquête dans le monde entier.
Les travaux de Manchester ajoutent un peu plus de mystère au domaine en montrant que le graphène présente une magnétorésistance linéaire géante dans des champs supérieurs à quelques Tesla, qui dépend faiblement de la température. Cette magnétorésistance à champ élevé bat à nouveau des records.
Le phénomène de magnétorésistance linéaire est resté une énigme pendant plus d’un siècle depuis sa première observation.
“Le graphène de haute qualité non dopé à température ambiante offre l’opportunité d’explorer un régime entièrement nouveau qui, en principe, pourrait être découvert il y a même une décennie, mais qui a été ignoré de tous”, a déclaré le Dr Leonid Ponomarenko, chercheur à l’Université de Lancaster.
“Nous prévoyons d’étudier ce régime de métaux étranges et, sûrement, d’autres résultats, phénomènes et applications intéressants suivront.”
Les résultats ont été publiés dans la revue Nature.
