Détection de tourbillons d'électrons dans le graphène

Lorsqu'un conducteur électrique ordinaire - tel qu'un fil métallique - est connecté à une batterie, les électrons du conducteur sont accélérés par le champ électrique créé par la batterie. En se déplaçant, les électrons entrent fréquemment en collision avec des atomes d'impureté ou des vides dans le réseau cristallin du fil et convertissent une partie de leur énergie de mouvement en vibrations du réseau. L'énergie perdue dans ce processus est convertie en chaleur que l'on peut ressentir, par exemple, en touchant une ampoule à incandescence.

Si les collisions avec les impuretés du réseau sont fréquentes, les collisions entre électrons sont beaucoup plus rares. La situation change toutefois lorsque l'on utilise du graphène, une couche unique d'atomes de carbone disposés en nid d'abeille, à la place d'un fil de fer ou de cuivre ordinaire. Dans le graphène, les collisions entre impuretés sont rares et les collisions entre électrons jouent un rôle prépondérant. Dans ce cas, les électrons se comportent davantage comme un liquide visqueux. Par conséquent, des phénomènes d'écoulement bien connus, tels que les tourbillons, devraient se produire dans la couche de graphène.

Dans la revue scientifique Science, des scientifiques de l'ETH Zurich, dans le groupe de Christian Degen, ont réussi pour la première fois à détecter directement des tourbillons d'électrons dans le graphène, à l'aide d'un capteur de champ magnétique à haute résolution.

Microscope à détection quantique très sensible

Les tourbillons se sont formés dans de petits disques circulaires que Christian Degen et ses collègues avaient fixés pendant le processus de fabrication à une bande de graphène conductrice d'une largeur d'un micromètre seulement. Les disques avaient des diamètres différents, compris entre 1,2 et 3 micromètres. Les calculs théoriques suggèrent que des tourbillons d'électrons devraient se former dans les disques les plus petits, mais pas dans les plus grands.

Pour rendre les tourbillons visibles, les chercheurs et chercheuses ont mesuré les minuscules champs magnétiques produits par les électrons circulant à l'intérieur  graphène. Pour ce faire, elles et ils ont utilisé un capteur de champ magnétique quantique constitué d'un centre NV (nitrogen-vacancy) intégré à la pointe d'une aiguille de diamant. En tant que défaut atomique, le centre NV se comporte comme un objet quantique dont les niveaux d'énergie dépendent d'un champ magnétique externe. À l'aide de faisceaux laser et d'impulsions micro-ondes, les états quantiques du centre peuvent être préparés de manière à être extrêmement sensibles aux champs magnétiques. En lisant les états quantiques à l'aide d'un laser, les scientifiques ont pu déterminer très précisément l'intensité de ces champs.

«Grâce aux dimensions minuscules de l'aiguille de diamant et à la faible distance par rapport à la couche de graphène (environ 70 nanomètres seulement), nous avons pu rendre les courants électroniques visibles avec une résolution inférieure à cent nanomètres», explique Marius Palm, ancien doctorant du groupe de Christian Degen. Cette résolution est suffisante pour voir les tourbillons.

Sens d'écoulement inversé

Lors de leurs mesures, les scientifiques ont observé un signe caractéristique des tourbillons attendus dans les petits disques : une inversion du sens du flux. Alors que dans le transport normal (diffusif) des électrons, les électrons dans la bande et le disque circulent dans la même direction, dans le cas d'un tourbillon, la direction du flux à l'intérieur du disque est inversée. Comme prévu par les calculs, aucun tourbillon n'a pu être observé dans les disques les plus grands.

«Grâce à notre capteur extrêmement sensible et à notre haute résolution spatiale, nous n'avons même pas eu besoin de refroidir le graphène et nous avons pu réaliser les expériences à température ambiante», explique Marius Palm. En outre, ses collègues et lui ont détecté non seulement les tourbillons d'électrons, mais aussi les tourbillons formés par les porteurs de trous. En appliquant une tension électrique sous le graphène, ils et elles ont modifié le nombre d'électrons libres de telle sorte que le courant n'est plus transporté par des électrons, mais par des électrons manquants, également appelés trous. Ce n'est qu'au point de neutralité de la charge, où la concentration d'électrons et de trous est faible et équilibrée, que les tourbillons ont complètement disparu.

«À l'heure actuelle, la détection des tourbillons d'électrons relève de la recherche fondamentale et de nombreuses questions restent en suspens», explique Marius Palm. Par exemple, les scientifiques doivent encore comprendre comment les collisions des électrons avec les bords du graphène influencent le schéma d'écoulement, et quels sont les effets qui se produisent dans des structures encore plus petites. La nouvelle méthode de détection utilisée par les chercheuses et chercheurs de l'ETH Zurich permet également d'examiner de plus près de nombreux autres effets exotiques de transport d'électrons dans des structures mésoscopiques - des phénomènes qui se produisent sur des échelles de longueur allant de quelques dizaines de nanomètres à quelques micromètres.