Comprendre comment les électrons se déplacent dans les systèmes de matériaux en couches 2D pourrait conduire à des progrès dans l'informatique quantique et communication.
Scientifiques étudiant deux configurations différentes de bicouche graphène—le bidimensionnel (2-D), atome-forme mince de carbone - ont détecté des résonances électroniques et optiques entre les couches. Dans ces états de résonance, les électrons rebondissent entre les deux plans atomiques de l'interface 2D à la même fréquence. En caractérisant ces états, ils ont découvert que tordre l'une des couches de graphène de 30 degrés par rapport à l'autre, au lieu d'empiler les couches directement les unes sur les autres, déplace la résonance vers une énergie plus faible.
A partir de ce résultat, qui vient d'être publié dans Physical Review Letters, ils en ont déduit que la distance entre les deux couches augmentait significativement dans la configuration torsadée, par rapport à celle empilée. Lorsque cette distance change, les interactions intercouches changent également, influençant la façon dont les électrons se déplacent dans le système bicouche. Une compréhension de ce mouvement des électrons pourrait éclairer la conception des futures technologies quantiques pour un calcul plus puissant et une communication plus sécurisée.
Le scientifique Jurek Sadowski (à gauche) et le post-doctorant Zhongwei Dai à l'installation Quantum Material Press (QPress) du Center for Functional Nanomaterials (CFN) du Brookhaven National Laboratory. La grande pièce circulaire est le robot QPress central, avec divers modules fixés sur les côtés pour le recuit de l'échantillon, film dépôt, nettoyage au plasma et bibliothèques d'échantillons. Le système QPress complet, toujours en cours de développement, automatisera l'empilement de matériaux 2D dans des structures en couches aux propriétés exotiques pour les applications quantiques. Crédit : Laboratoire national de Brookhaven
"Les puces informatiques d'aujourd'hui sont basées sur notre connaissance de la façon dont les électrons se déplacent dans les semi-conducteurs, en particulier le silicium", a déclaré le premier et co-auteur correspondant Zhongwei Dai, postdoctorant au sein du groupe Interface Science and Catalysis du Center for Functional Nanomaterials (CFN) au Laboratoire national de Brookhaven du Département américain de l'énergie (DOE). « Mais les propriétés physiques du silicium atteignent une limite physique en termes de fabrication de petits transistors et de nombre pouvant tenir sur une puce. Si nous pouvons comprendre comment les électrons se déplacent à la petite échelle de quelques nanomètres dans les dimensions réduites des matériaux 2D, nous pourrons peut-être débloquer une autre façon d'utiliser les électrons pour la science de l'information quantique.
A quelques nanomètres, ou milliardièmes de mètre, la taille d'un système matériel est comparable à celle de la longueur d'onde des électrons. Lorsque les électrons sont confinés dans un espace aux dimensions de leur longueur d'onde, les propriétés électroniques et optiques du matériau changent. Ces effets de confinement quantique sont le résultat d'un mouvement ondulatoire mécanique quantique plutôt que d'un mouvement mécanique classique, dans lequel les électrons se déplacent à travers un matériau et sont dispersés par des défauts aléatoires.
(Dans le sens des aiguilles d'une montre de gauche à droite) Les membres de l'équipe Chang-Yong Nam, Jurek Sadowski, Zhongwei Dai, Samuel Tenney, Nikhil Tiwale et Ashwanth Subramanian devant le Center for Functional Nanomaterials. Crédit : Laboratoire national de Brookhaven
Pour cette recherche, l'équipe a sélectionné un modèle de matériau simple, le graphène, pour étudier les effets de confinement quantique, en appliquant deux sondes différentes : les électrons et les photons (particules de lumière). Pour sonder les résonances électroniques et optiques, ils ont utilisé un substrat spécial sur lequel le graphène pouvait être transféré. L'auteur co-correspondant et scientifique du CFN Interface Science and Catalysis Group, Jurek Sadowski, avait précédemment conçu ce substrat pour Quantum Material Press (QPress). Le QPress est un outil automatisé en cours de développement dans l'installation de synthèse et de caractérisation des matériaux CFN pour la synthèse, le traitement et la caractérisation de matériaux 2D en couches. Classiquement, les scientifiques exfolient des « flocons » de matériau 2D à partir de cristaux parents 3D (par exemple, du graphène à partir de graphite) sur un substrat de dioxyde de silicium de plusieurs centaines de nanomètres d'épaisseur. Cependant, ce substrat est isolant, et donc les techniques d'interrogation à base d'électrons ne fonctionnent pas. Ainsi, Sadowski et le scientifique du CFN Chang-Yong Nam et l'étudiant diplômé de l'Université de Stony Brook Ashwanth Subramanian ont déposé une couche conductrice d'oxyde de titane de seulement trois nanomètres d'épaisseur sur le substrat de dioxyde de silicium.
"Cette couche est suffisamment transparente pour la caractérisation optique et la détermination de l'épaisseur des flocons exfoliés et des monocouches empilées tout en étant suffisamment conductrice pour les techniques de microscopie électronique ou de spectroscopie synchrotron", a expliqué Sadowski.
Dans le groupe Charlie Johnson de l'Université de Pennsylvanie, le professeur Rebecca W. Bushnell de physique et d'astronomie Charlie Johnson, le postdoc Qicheng Zhang et l'ancien postdoc Zhaoli Gao (maintenant professeur adjoint à l'Université chinoise de Hong Kong) ont développé le graphène sur des feuilles métalliques et l'a transféré sur le substrat d'oxyde de titane/dioxyde de silicium. Lorsque le graphène est cultivé de cette manière, les trois domaines (monocouche, empilé et torsadé) sont présents.
(a) Schémas de la configuration expérimentale pour la diffusion d'électrons et de photons. ( b ) Un modèle atomique du motif formé par la structure cristalline du graphène bicouche torsadé (30 ° -tBLG). ( c ) Une image au microscope électronique à basse énergie d'une zone d'échantillon typique contenant 30 °-tBLG, du graphène bicouche empilé (AB-BLG) et du graphène monocouche (SLG). ( d ) Un diagramme de diffraction d'électrons à basse énergie sur une zone 30 °-tBLG. Crédit : Laboratoire national de Brookhaven
Ensuite, Dai et Sadowski ont conçu et réalisé des expériences dans lesquelles ils ont projeté des électrons dans le matériau avec un microscope électronique à basse énergie (LEEM) et détecté les électrons réfléchis. Ils ont également tiré des photons d'un microscope optique à base de laser avec un spectromètre dans le matériau et analysé le spectre de la lumière diffusée en retour. Ce microscope confocal Raman fait partie du catalogueur QPress, qui, avec le logiciel d'analyse d'images, peut localiser les emplacements des zones d'échantillon d'intérêt.
« Le microscope QPress Raman nous a permis d'identifier rapidement la zone d'échantillonnage cible, accélérant ainsi nos recherches », a déclaré Dai.
Leurs résultats suggèrent que l'espacement entre les couches dans la configuration de graphène torsadé a augmenté d'environ six pour cent par rapport à la configuration non torsadée. Les calculs effectués par des théoriciens de l'Université du New Hampshire ont vérifié le comportement électronique résonnant unique dans la configuration torsadée.
"Les appareils fabriqués à partir de graphène tourné peuvent avoir des propriétés très intéressantes et inattendues en raison de l'espacement intercouche accru dans lequel les électrons peuvent se déplacer", a déclaré Sadowski.
Ensuite, l'équipe fabriquera des dispositifs avec le graphène torsadé. L'équipe s'appuiera également sur les expériences initiales menées par le scientifique du CFN Samuel Tenney et les post-doctorants du CFN Calley Eads et Nikhil Tiwale pour explorer comment l'ajout de différents matériaux à la structure en couches affecte ses propriétés électroniques et optiques.
"Dans cette recherche initiale, nous avons choisi le système de matériaux 2D le plus simple que nous puissions synthétiser et contrôler pour comprendre le comportement des électrons", a déclaré Dai. "Nous prévoyons de poursuivre ces types d'études fondamentales, en espérant faire la lumière sur la façon de manipuler les matériaux pour l'informatique et les communications quantiques."
Cette recherche a été soutenue par le DOE Office of Science et a utilisé les ressources du CFN et de la National Synchrotron Light Source II (NSLS-II), les deux installations des utilisateurs du DOE Office of Science à Brookhaven. Le microscope LEEM fait partie de la station d'extrémité de microscopie électronique à photoémission de rayons X (XPEEM)/LEEM de la ligne de lumière de spectro-microscopie électronique au NSLS-II ; le CFN exploite cette station d'extrémité dans le cadre d'un accord d'utilisateur partenaire avec NSLS-II. Les autres organismes de financement sont la National Science Foundation, le Research Grant Council of Hong Kong Special Administrative Region et l'Université chinoise de Hong Kong.
Pour en savoir plus sur cette recherche, lisez Atomically-Thin, Twisted Graphene Possède des propriétés uniques qui pourraient faire progresser l'informatique quantique.
Référence : "États quantiques à puits liés dans les interfaces d'hétérostructure du graphène" par Zhongwei Dai, Zhaoli Gao, Sergey S. Pershoguba, Nikhil Tiwale, Ashwanth Subramanian, Qicheng Zhang, Calley Eads, Samuel A. Tenney, Richard M. Osgood, Chang-Yong Nam, Jiadong Zang, AT Charlie Johnson et Jerzy T. Sadowski, 20 août 2021, Physical Review Letters.
DOI : 10.1103/PhysRevLett.127.086805
