Le graphène, le matériau magique préféré de tous, semble toujours réserver des surprises. Les physiciens du MIT ont découvert un autre état électronique flambant neuf caché dans ce petit matériau remarquable – auquel ils ont donné un nom curieux : « vallée du fer ».
Le graphène n'est essentiellement qu'un flocon ultra-fin de graphite ordinaire, si fin, en fait, qu'il n'a qu'un atome d'épaisseur. Mais malgré ses modestes débuts, le graphène est extrêmement résistant, supraconducteur, flexible et a le potentiel de tout révolutionner, de l'électronique aux vêtements en passant par l'ingénierie aérospatiale. Lorsque vous commencez à empiler des feuilles de graphène, et même à les tordre selon des angles spécifiques, d’autres capacités extraordinaires deviennent apparentes, comme le magnétisme ou la super perméabilité à l’eau.
Dans le cadre de nouvelles recherches, l'équipe de recherche du MIT a découvert un autre matériau, le « comportement multiferroïque », très rare dans le monde des matériaux. Un matériau ferroïque est un matériau dont les particules ont un comportement coordonné : par exemple, tous les électrons d'un aimant orienteront leurs spins dans la même direction même en l'absence de champ magnétique externe. Les multiferroïques sont des matériaux qui présentent plusieurs comportements coordonnés, tels que le magnétisme pointe dans une direction et les charges dans une autre.
Les chercheurs ont calculé que, dans des circonstances très particulières, le graphène devrait devenir un matériau multiferroïque. Théoriquement, la multiferroïcité ne se produit que lorsque cinq couches de graphène sont empilées les unes sur les autres, chaque couche étant légèrement décalée de sorte que l'ensemble tridimensionnel forme un losange.
Dans le graphène à cinq couches, les électrons se trouvent dans un environnement de réseau cristallin où ils se déplacent très lentement, ce qui leur permet d'interagir efficacement avec d'autres électrons. C’est à ce moment-là que les effets liés aux électrons commencent à dominer et qu’ils peuvent commencer à se coordonner en certains ordres de ferrite préférés.
Ensuite, l’équipe a entrepris de confirmer la théorie dans la pratique, en grattant des flocons de graphène sur des blocs de graphite et en les examinant avec des microscopes puissants pour en trouver certains qui avaient naturellement la forme de losange idéale. Ils ont ensuite isolé plusieurs types de graphène qu’ils ont trouvés et les ont étudiés à des températures juste au-dessus du zéro absolu, où d’autres effets s’affaiblissent, de sorte que seul le graphène qu’ils recherchaient brille.
Effectivement, l’équipe a découvert que les électrons de ces flocons spéciaux répondaient uniformément aux champs électriques dans un sens et aux champs magnétiques dans l’autre, confirmant ainsi le comportement multiferroïque. Mais même ces comportements individuels sont inhabituels : le magnétisme résulte de la coordination des mouvements orbitaux des électrons, et non de leurs spins. Le comportement électronique résulte du fait que les électrons entrent préférentiellement dans une « vallée » (ou état d’énergie le plus bas), plutôt que de se répartir en moyenne dans deux vallées. C’est pourquoi l’équipe de recherche appelle cet état électronique particulier « propriété de la vallée du fer ».
"Nous savions que quelque chose d'intéressant se passait dans cette structure, mais nous ne savions pas de quoi il s'agissait avant de la tester", a déclaré Zhengguang Lu, co-premier auteur de l'étude. "C'est la première fois que nous voyons l'électronique de la vallée du fer, et la première fois que nous voyons l'électronique de la vallée du fer coexister avec des ferromagnétiques non conventionnels."
Les chercheurs affirment que ce comportement particulier pourrait éventuellement être exploité pour doubler efficacement la capacité de stockage de données d'une puce.
La recherche a été publiée dans la revue Nature.