Lorsque des couches de graphène “à angle magique” (en bas) entrent en contact avec des couches de certains métaux de transition, cela induit un phénomène appelé couplage spin-orbite dans les couches de graphène. Ce phénomène donne lieu à des phénomènes physiques surprenants, notamment le ferromagnétisme. Crédit : Laboratoire Li/Université de Brown
Les aimants et les supraconducteurs ne s’entendent normalement pas, mais une nouvelle étude montre que l'”angle magique” peut être un facteur déterminant dans le succès d’un projet. graphène est capable de produire à la fois la supraconductivité et le ferromagnétisme, ce qui pourrait être utile dans les domaines suivants l’informatique quantique.
Lorsque deux feuilles du nanomatériau de carbone qu’est le graphène sont empilées ensemble selon un angle particulier l’une par rapport à l’autre, cela donne lieu à des phénomènes physiques fascinants. Par exemple, lorsque ce graphène dit “à angle magique” est refroidi à une température proche de la température de la pièce. zéro absoluil devient soudainement supraconducteur, c’est-à-dire qu’il conduit l’électricité avec une résistance nulle.
Aujourd’hui, une équipe de recherche de l’université de Brown a découvert un nouveau phénomène surprenant qui peut se produire dans le graphène à angle magique. Dans une recherche publiée dans le journal Sciencel’équipe a montré qu’en induisant un phénomène connu sous le nom de couplage spin-orbite, le graphène à angle magique devient un puissant ferromagnétique.
“Le magnétisme et la supraconductivité se situent généralement aux extrémités opposées du spectre en physique de la matière condensée, et il est rare qu’ils apparaissent dans la même plate-forme matérielle”, a déclaré Jia Li, professeur adjoint de physique à Brown et auteur principal de la recherche. “Pourtant, nous avons montré que nous pouvions créer du magnétisme dans un système qui, à l’origine, était supraconducteur. Cela nous donne une nouvelle façon d’étudier l’interaction entre la supraconductivité et le magnétisme, et offre de nouvelles possibilités passionnantes pour la recherche en science quantique.”
Le graphène à angle magique a fait beaucoup de bruit en physique ces dernières années. Le graphène est un matériau bidimensionnel composé d’atomes de carbone disposés en nid d’abeille. Les feuilles simples de graphène sont intéressantes en soi – elles présentent une résistance remarquable et une conductivité électrique extrêmement efficace. Mais les choses deviennent encore plus intéressantes lorsque les feuilles de graphène sont empilées. Les électrons commencent à interagir non seulement avec les autres électrons d’une feuille de graphène, mais aussi avec ceux de la feuille adjacente. La modification de l’angle des feuilles les unes par rapport aux autres modifie ces interactions, donnant lieu à des phénomènes quantiques intéressants, comme la supraconductivité.
Ces nouvelles recherches ajoutent un nouvel élément – le couplage spin-orbite – à ce système déjà intéressant. Le couplage spin-orbite est un état du comportement des électrons dans certains matériaux dans lequel le spin de chaque électron – son minuscule moment magnétique qui pointe soit vers le haut soit vers le bas – devient lié à son orbite autour du noyau atomique.
“Nous savons que le couplage spin-orbite donne lieu à un large éventail de phénomènes quantiques intéressants, mais il n’est normalement pas présent dans le graphène à angle magique”, a déclaré Jiang-Xiazi Lin, chercheur postdoctoral à Brown et auteur principal de l’étude. “Nous avons voulu introduire le couplage spin-orbite, puis voir quel effet il avait sur le système”.
Pour ce faire, Li et son équipe ont interfacé du graphène à angle magique avec un bloc de diséléniure de tungstène, un matériau qui présente un fort couplage spin-orbite. L’alignement précis de la pile induit un couplage spin-orbite dans le graphène. À partir de là, l’équipe a sondé le système avec des courants électriques et des champs magnétiques externes.
Les expériences ont montré qu’un courant électrique circulant dans une direction à travers le matériau en présence d’un champ magnétique externe produit une tension dans la direction perpendiculaire au courant. Cette tension, connue sous le nom d’effet Hall, est la signature révélatrice d’un champ magnétique intrinsèque dans le matériau.
À la grande surprise de l’équipe de recherche, ils ont montré que l’état magnétique pouvait être contrôlé à l’aide d’un champ magnétique externe, qui est orienté soit dans le plan du graphène, soit hors du plan. Cela contraste avec les matériaux magnétiques sans couplage spin-orbite, où le magnétisme intrinsèque ne peut être contrôlé que lorsque le champ magnétique externe est aligné dans la direction du magnétisme.
“Cette observation est une indication que le couplage spin-orbite est bien présent et a fourni l’indice pour construire un modèle théorique afin de comprendre l’influence de l’interface atomique”, a déclaré Yahui Zhang, un physicien théoricien de l’Université de Harvard qui a travaillé avec l’équipe de Brown pour comprendre la physique associée au magnétisme observé.
“L’influence unique deLe couplage spin-orbite donne aux scientifiques un nouveau bouton expérimental à tourner dans l’effort de compréhension du comportement du graphène à angle magique”, a déclaré Erin Morrissette, un étudiant diplômé de Brown qui a effectué une partie du travail expérimental. “Les résultats ont également le potentiel pour de nouvelles applications de dispositifs”.
L’une des applications possibles concerne la mémoire des ordinateurs. L’équipe a découvert que les propriétés magnétiques du graphène à angle magique peuvent être contrôlées à la fois par des champs magnétiques externes et des champs électriques. Cela ferait de ce système bidimensionnel un candidat idéal pour un dispositif de mémoire magnétique avec des options de lecture/écriture flexibles.
Selon les chercheurs, une autre application potentielle est l’informatique quantique. Une interface entre un ferromagnétique et un supraconducteur a été proposée comme un bloc de construction potentiel pour les ordinateurs quantiques. Le problème, cependant, est qu’une telle interface est difficile à créer car les aimants sont généralement destructeurs de la supraconductivité. Mais un matériau capable à la fois de ferromagnétisme et de supraconductivité pourrait permettre de créer cette interface.
“Nous travaillons sur l’utilisation de l’interface atomique pour stabiliser la supraconductivité et le ferromagnétisme en même temps”, a déclaré Li. “La coexistence de ces deux phénomènes est rare en physique, et cela va certainement débloquer plus d’excitation”.
Référence : “Spin-orbit-driven ferromagnetism at half moiré filling in magic-angle twisted bilayer graphene” par Jiang-Xiazi Lin, Ya-Hui Zhang, Erin Morissette, Zhi Wang, Song Liu, Daniel Rhodes, K. Watanabe, T. Taniguchi, James Hone et J. I. A. Li, 6 janvier 2022, Science.
DOI : 10.1126/science.abh2889
Cette recherche a été principalement soutenue par l’Université Brown. Les autres coauteurs sont Ya-Hui Zhang, Zhi Wang, Song Liu, Daniel Rhodes, Kenji Watanabe, Takashi Taniguchi et James Hone.
