Excitations collectives interbandes : le graphène bicouche torsadé danse avec la lumière

Visualisation artistique des excitations collectives interbandes dans le graphène bicouche torsadé. Crédit : ICFO/Matteo Ceccanti

Une équipe internationale de chercheurs rapporte en Physique de la nature sur la façon dont la lumière et les électrons se déplacent de concert dans le matériau lorsqu’il est éclairé par une lumière infrarouge.

Lorsque deux couches de graphène sont placés les uns sur les autres et tordus entre eux par un très petit angle, un « motif moiré » se forme et les propriétés physiques du système se sont avérées changer radicalement. En particulier, près de l’angle « magique » de 1 degré, les électrons ralentissent considérablement, favorisant les interactions entre les électrons. De telles interactions donnent naissance à un nouveau type de supraconductivité et de phases isolantes dans le graphène bicouche torsadé.

Avec de nombreuses autres propriétés fascinantes découvertes au cours des trois dernières années, ce matériau s’est avéré présenter des phénomènes physiques extrêmement riches, mais surtout, il s’est avéré être un matériau quantique facilement contrôlable. Maintenant, même si ce matériau à base de carbone a présenté ces états incroyablement divers, l’interaction entre le graphène bicouche torsadé et la lumière s’est avérée avoir des résultats fascinants sur le plan théorique, mais aucune expérience n’a jusqu’à présent été en mesure de montrer clairement comment cette interaction fonctionne.

Dans un ouvrage récent publié dans Physique de la nature, les chercheurs de l’ICFO Niels Hesp, Iacopo Torre, David Barcons-Ruiz et Hanan Herzig Sheinfux, confiés par le professeur ICREA à l’ICFO Frank Koppens, en collaboration avec les groupes de recherche du professeur Pablo Jarillo-Herrero (AVEC), le professeur Marco Polini (Université de Pise), le professeur Efthimios Kaxiras (Harvard), le professeur Dmitri Efetov (ICFO) et le NIMS (Japon), ont découvert que le graphène bicouche torsadé peut être utilisé pour guider et contrôler la lumière au nanomètre escalader. Ceci est possible grâce à l’interaction entre la lumière et le mouvement collectif des électrons dans le matériau.

En exploitant les propriétés des plasmons, dans lesquels les électrons et la lumière se déplacent ensemble comme une seule onde cohérente, les scientifiques ont pu observer que les plasmons se propagent dans le matériau, tout en étant fortement confinés dans le matériau, jusqu’à l’échelle nanométrique. De plus, en observant les phénomènes optiques collectifs inhabituels se produisant dans le matériau, ils ont pu comprendre le type de propriétés particulières des électrons. Cette observation de la propagation de la lumière, confinée à l’échelle nanométrique, peut être utilisée comme plate-forme pour la détection optique de gaz et de biomolécules.

Pour obtenir les résultats de cette découverte, l’équipe a utilisé un microscope en champ proche, qui permet de sonder les propriétés optiques avec une résolution spatiale de 20 nanomètres, une résolution qui dépasse la limite de diffraction. En bref, les scientifiques ont pris deux couches de graphène, les ont superposées, en les tordant près de l’angle magique, puis, à température ambiante, ont illuminé le matériau avec de la lumière infrarouge sur un spot de taille nanométrique. Ils ont vu que les plasmons se comportaient très différemment des plasmons habituels, par exemple dans les métaux ou le graphène, et cette déviation est liée au mouvement particulier des électrons dans le super-réseau moiré du graphène bicouche.

Ce travail pose la première pierre des études nano-optiques sur les phases exotiques du graphène bicouche torsadé à basse température. En particulier, il démontre que le graphène bicouche torsadé est un matériau nanophotonique remarquable, d’autant plus qu’il sert d’hôte intrinsèque (aucune tension externe n’est requise) d’excitations collectives.

Référence : « Observation of interband collective excitations in twisted bilayer graphene » par Niels CH Hesp, Iacopo Torre, Daniel Rodan-Legrain, Pietro Novelli, Yuan Cao, Stephen Carr, Shiang Fang, Petr Stepanov, David Barcons-Ruiz, Hanan Herzig Sheinfux, Kenji Watanabe, Takashi Taniguchi, Dmitri K. Efetov, Efthimios Kaxiras, Pablo Jarillo-Herrero, Marco Polini et Frank HL Koppens, 27 septembre 2021, Physique de la nature.
DOI : 10.1038 / s41567-021-01327-8

Cette recherche a été partiellement soutenue par le Conseil européen de la recherche, l’European Graphene Flagship, le gouvernement de Catalogne, la Fundació Cellex et le programme d’excellence Severo Ochoa du gouvernement espagnol.