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La rotation de deux grilles de maillage qui se chevauchent l'une par rapport à l'autre produit des motifs d'interférence appelés franges de moiré. Au cours des dernières années, les scientifiques ont commencé à concevoir des franges de moiré à l'échelle atomique en torsadant des couches épaisses d'un atome de matériaux appropriés, tels que le graphène (un réseau 2D d'atomes de carbone). En 2018, il a été démontré que, lorsque l'angle de torsion entre deux feuilles de graphène est réglé à environ 1 °, les propriétés physiques du système changent considérablement., ressembler à ceux des supraconducteurs à haute température. Pour explorer la physique microscopique de ces observations surprenantes, quatre équipes – Kerelsky et al., Xie et al. et Jiang et al. dans La natureet Choi et al. dans un document sur le serveur de préimpression arXiv – ont effectué des mesures spectroscopiques sur du graphène bicouche torsadé.
De nombreuses propriétés du graphène monocouche peuvent être comprises qualitativement dans l'image à électrons libres, dans laquelle la répulsion entre électrons est négligée. Par exemple, la relation entre l'énergie et la quantité de mouvement d'un électron dans ce matériau est, en toute approximation, indépendante de la densité d'électrons environnants.
La situation est très différente pour le graphène bicouche torsadé aux angles de torsion «magiques», dont le plus grand est d'environ 1 °. Dans ce cas, les électrons occupent des bandes plates – des niveaux d'énergie dont les énergies ne varient que faiblement avec le moment des électrons. En raison de la faible plage d'énergie de ces bandes plates, les interactions entre électrons cessent d'être de faibles perturbations et les propriétés physiques du système dépendent de manière cruciale de la densité électronique. Les interactions induisent même des phases que l’on n’observe pas dans le graphène monocouche,: le système agit comme isolant électrique pour certaines densités d'électrons pour lesquelles l'image à électrons libres prédit une phase métallique; et, comme dans le cas des supraconducteurs à haute température, augmenter ou diminuer la densité électronique supprime le comportement isolant et donne lieu à une phase supraconductrice, dans laquelle les électrons sont transportés avec une résistance nulle.
Ces observations, basées sur des mesures de conductivité électrique,, établissent clairement l’existence de phases isolantes et supraconductrices induites par interaction. Cependant, la nature microscopique de ces phases est restée inconnue et des approches expérimentales complémentaires pour résoudre ce problème sont nécessaires de toute urgence. Une telle approche est fournie par les quatre articles actuels, dans lesquels la structure à l'échelle atomique et la distribution des énergies des électrons sont mesurées.
Les groupes ont réalisé cette mesure en utilisant la microscopie à effet tunnel (STM). Dans cette technique, une pointe conductrice tranchante est balayée sur un échantillon (Fig. 1a). Selon qu’une tension appliquée est positive ou négative, les électrons sont «tunnel» de la pointe à l’échantillon, ou inversement. La variation du courant électrique résultant avec la position de la pointe code la topographie de l'échantillon. Et la variation du courant lorsque la tension varie est une mesure de la densité locale d'états de l'échantillon – le nombre d'états quantiques pouvant être occupés par des électrons à une énergie donnée (Fig. 1b).
En utilisant cette technique, les équipes ont visualisé les franges de moiré dans du graphène bicouche torsadé. Cela leur a permis de quantifier l'ampleur de la déformation du système en observant la variation de l'espacement entre les franges dans différentes directions. L'approche a également révélé les réarrangements spatiaux des atomes de carbone résultant du couplage des deux feuilles de graphène. Ces détails sont cruciaux pour une compréhension théorique précise de la structure de la bande électronique, ce qui constitue un premier pas essentiel vers la modélisation précise des phases isolante et supraconductrice.
En outre, les groupes ont constaté que la densité d'états dépendait du nombre d'électrons occupant les bandes plates. Cette observation est une manifestation directe de l’importance des corrélations entre les électrons du système. En particulier, les équipes ont constaté que la densité d'états à basse énergie était supprimée pour les concentrations en électrons pour lesquelles un isolant avait déjà été identifié. Cette constatation établit une connexion directe entre les propriétés électroniques locales et le transport d'électrons.
Il y a trois différences principales dans les données des quatre groupes qui méritent d'être soulignées. Premièrement, dans la densité d'états de bandes plates complètement remplies ou vides, alors que les autres équipes ont connu deux pics. Dans les modèles théoriques communément utilisés de graphène bicouche torsadé, deux pics sont attendus. La cause de cet écart est inconnue. Une explication possible est que, près de l'angle magique, la densité d'états est très sensible aux perturbations pouvant survenir lors de la préparation de l'échantillon.
Deuxièmement, parmi les trois groupes qui ont obtenu deux pics lors du remplissage partiel des bandes plates. Ils ont non seulement découvert que le pic avec des états électroniques partiellement occupés développaient une caractéristique semblable à un espace, comme c'était le cas avec, mais ils ont également découvert que le second pic était devenu fortement déformé. Cette observation est une indication claire de corrélations particulièrement fortes.
Troisièmement, la rupture améliorée de la symétrie de rotation du système bicouche serait la plus importante pour les différentes concentrations en électrons dans les diverses études: pour les concentrations associées à l’isolant; pour les concentrations proches du point de neutralité de la charge, dans lesquelles la moitié des bandes plates sont remplies; et pour toute concentration tant que les bandes plates sont partiellement occupées. Cette brisure de symétrie améliorée est très probablement d'origine électronique, car sa magnitude dépend de la densité d'électrons dans le système. Cependant, il est difficile de savoir s'il s'agit simplement d'une conséquence d'une forte susceptibilité à la rupture de symétrie de révolution électronique rendue visible par la déformation, qui brise faiblement la symétrie, ou si cette rupture de symétrie est une propriété intrinsèque sans rapport avec la déformation.
Pris ensemble, les quatre articles démontrent que les mesures STM sur le graphène bicouche torsadé à angle magique peuvent fournir des informations précieuses sur la rupture de symétrie et l'effet local des corrélations électroniques. Bien que les résultats contraignent et orientent les modèles théoriques possibles, de nombreuses questions ouvertes se posent immédiatement pour les futures études STM. Quelle est l'origine des divergences entre les résultats des différents groupes? Parmi les phénomènes observés, quels sont les caractéristiques intrinsèques du graphène bicouche torsadé qui sont robustes aux perturbations et qui sont plus fragiles? Réaliser des expériences STM à une température inférieure à celle utilisée dans les études actuelles pourrait éclairer les propriétés de la phase supraconductrice et sa relation avec l'isolant, et clarifier les similitudes et les différences avec la supraconductivité à haute température. À plus long terme, les mesures d'interférence de quasi-particules, dans lesquelles le STM est utilisé pour détecter les effets d'interférence électronique autour des impuretés, pourraient également fournir des informations complémentaires sur le système.
Plus généralement, des mesures STM similaires à celles discutées ici pourraient être effectuées sur des systèmes multicouches torsadés connexes, tels que le graphène double bicouche torsadé, qui a été étudié plus tôt cette année.–. Il y a de bonnes raisons de penser que cette ligne de recherche jeune et au rythme rapide est pleine de surprises excitantes à découvrir, et que les techniques spectroscopiques continueront à jouer un rôle clé dans cette entreprise. Les systèmes multicouches torsadés contenant du graphène et d’autres matériaux apparentés ont une chimie simple et des propriétés hautement ajustables, telles que la densité électronique. Par conséquent, il est très probable que ces systèmes deviennent des bancs d'essai polyvalents pour les théories de la matière fortement corrélée.
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