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Des scientifiques découvrent une propriété quantique improbable du graphite

Des scientifiques découvrent une propriété quantique improbable du graphite

Les chercheurs ont découvert que le graphite en vrac présente un effet Hall quantique de manière remarquable, ouvrant de nouveaux domaines de recherche en physique.

Observation de l'effet Hall quantique en dehors d'un système 2D

Des scientifiques de l'Université de Manchester, au Royaume-Uni, dirigés par le Dr Artem Mishchenko, le professeur Volodya Fal'ko et le professeur Andre Geim, ont découvert l'effet Hall quantique (QHE) dans le graphite en vrac, qui est un cristal stratifié composé de couches empilées. de graphène.

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Leurs découvertes, publiées dans la revue Nature Physics, n'étaient pas prévues, car le QHE est censé être limité aux systèmes appelés systèmes bidimensionnels, où le mouvement des électrons est limité à un plan et ne peut pas se déplacer perpendiculairement.

Les chercheurs ont utilisé des cristaux de graphite clivés protégés par du nitrure de bore hexagonal en couches. Leurs appareils étaient conformes à la géométrie des barres de Hall, ce qui leur permettait de mesurer le transport des électrons dans le graphite.

"Les mesures étaient assez simples." explique le membre de l'équipe de recherche et premier auteur de l'article, le Dr Jun Yin. "Nous avons fait passer un petit courant le long de la barre Hall, appliqué un champ magnétique puissant perpendiculairement au plan de la barre Hall, puis mesuré les tensions générées le long et à travers l'appareil pour extraire la résistivité longitudinale et la résistance Hall."

Fal'ko, qui a travaillé sur la partie théorique de l'article, a déclaré: «Nous avons été assez surpris lorsque nous avons vu l'effet Hall quantique (QHE) - une séquence de plateaux quantifiés dans la résistance de Hall - accompagné d'une résistivité longitudinale nulle dans nos échantillons. . Celles-ci sont suffisamment épaisses pour se comporter comme un demi-métal en vrac normal dans lequel le QHE devrait être interdit. "

Autres particularités trouvées

Une autre découverte surprenante était que le nombre de couches de graphène contenues dans le graphite - en particulier s'il y avait un nombre impair de couches ou un nombre pair - affectait leurs observations du QHE.

Ils ont constaté que les ondes stationnaires des deux différents types d'électrons dans le graphite réduisaient les écarts d'énergie QHE lorsqu'il y avait un nombre impair de couches de graphène dans le graphite et le faisaient même lorsqu'il y avait des centaines de couches de graphène.

Un autre résultat surprenant a été la découverte du QHE fractionnaire (FQHE) - qui est différent du QHE normal et est le produit d'interactions entre électrons qui donnent lieu à des phénomènes tels que la supraconductivité et le magnétisme - dans de très fines couches de graphite.

"La plupart des résultats que nous avons observés peuvent être expliqués à l'aide d'un simple modèle à un électron, mais voir le FQHE nous dit que l'image n'est pas si simple", a déclaré Mishchenko. "Il y a beaucoup d'interactions électron-électron dans nos échantillons de graphite à des champs magnétiques élevés et à des températures basses, ce qui montre que la physique à plusieurs corps est importante dans ce matériau."

Reprendre une partie des projecteurs du graphène

Le graphite a pris le pas sur le graphène depuis des années maintenant, mais les chercheurs espèrent que leurs travaux montrent que le graphite plus gros mérite encore une étude approfondie.

"Notre travail est un nouveau tremplin vers d'autres études sur ce matériau, y compris la physique à plusieurs corps, comme les ondes de densité, la condensation excitonique ou la cristallisation de Wigner", a déclaré Mishchenko.

"Pendant des décennies, le graphite a été utilisé par les chercheurs comme une sorte de" pierre philosophale "qui peut fournir tous les phénomènes probables et improbables, y compris la supraconductivité à température ambiante", a déclaré Geim. "Notre travail montre ce qui est, en principe, possible dans ce matériau, du moins quand il est dans sa forme la plus pure."


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