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Une transition topologique du graphène observée grâce à un système "micro-ondes" dans les actualités scientifiques de l’INP

Le graphène, cristal bidimensionnel de carbone, est sans conteste le super-matériau du XXIe siècle. Grâce à ses propriétés inédites, tant mécaniques que thermiques, électriques et optiques, il permet de revisiter des concepts fondamentaux de la matière condensée et il autorise les propositions les plus hardies en matière d’applications. Un nouveau et formidablement prometteur terrain d’études est actuellement défriché : manipuler la structure du graphène pour en modifier les propriétés, notamment de conduction électronique. Déformer le graphène pour le rendre encore plus performant ! Avant sa mise en œuvre dans des composants, les chercheurs ont besoin de mettre cette idée à l’épreuve sur des systèmes plus facilement contrôlables que le vrai graphène. Ainsi, des physiciens du Laboratoire de Physique de la Matière Condensée, à Nice, et du Laboratoire de Physique des Solides, à Orsay, ont substitué au transport électronique dans le potentiel périodique créé par les atomes de carbone, le transport de micro-ondes dans un réseau en nid d’abeilles de cylindres diélectriques résonnants. En appliquant une compression homogène au réseau, ils ont pu observer une transition (dite topologique) entre une phase « semi-métallique » et une phase isolante, et mettre en évidence l’apparition concomitante d’états exotiques sur les bords du système.

Le dispositif expérimental développé par l’équipe niçoise autorise un parfait contrôle du réseau formé par les cylindres diélectriques d’un diamètre et d’une hauteur de l’ordre du centimètre ; la distance entre résonateurs voisins fixant l’intensité du couplage électromagnétique. La configuration des bords du système, connue pour jouer un rôle dominant dans le transport, étant tout particulièrement importante à maitriser. Dans l’étude publiée dans la revue Physical Review Letters, le système initial prend la forme d’un hexagone offrant des bords en créneaux (des bords dits « armchairs ») sur ses 6 arêtes. La densité d’états de ce graphène photonique exhibe une structure conique au voisinage d’un « point de Dirac ». Le dispositif expérimental permet de mesurer, pour chacune des fréquences permises, la répartition spatiale du champ micro-ondes. Dans la situation initiale, aucune concentration particulière d’énergie sur les bords n’est observée : il n’y a pas « d’états de bord ». Lorsqu’une compression le long d’un des axes cristallins est effectuée, la densité d’états au voisinage du point de Dirac change de nature ; au-delà d’une compression critique, une bande de fréquences interdites apparaît (voir figure ci-dessous). La déformation a également pour effet d’engendrer des états localisés sur les arêtes qui coupent l’axe de compression ; la concentration de l’énergie étant d’autant plus importante que la compression est forte.

Les chercheurs s’orientent maintenant, d’une part, sur une étude approfondie des états de bords pour des contours plus complexes. D’autre part, en réalisant une compression variable dans l’espace, ils tentent de simuler l’action d’un pseudo-champ magnétique et de mettre, alors, en évidence l’apparition de niveaux de Landau.

- Ce travail a fait l’objet d’un focus dans la revue Nature et d’un communiqué de presse de l’Institut de Physique (INP) du CNRS.

- L’article est aussi disponible sur HAL.

- Une présentation plus générale du travail est disponible ici (détails de l’expérience, modélisation tigth-binding, introduction sur le graphène).

Mots-clés

MOSAIQ, Physique Mésoscopique

Apparition des états de bords dans le graphène compressée. - 348.2 ko

Distributions de l’intensité du champ électrique (échelle du blanc (min.) au rouge (max.)) mesurées expérimentalement à une fréquence particulière correspondant au point de Dirac du graphène. 1. Cas d’une structure régulière : aucun état n’est associé à cette fréquence. 2. Cas d’une structure faiblement compressée : des états apparaissent. 3. Cas d’une structure fortement compressée : les états sont principalement localisés sur les bords.