Un isolateur composé de deux conducteurs

Les cours de physique nous ont appris la loi d'Ohm. Elle stipule que la tension et la résistance électrique appliquées déterminent la quantité de courant qui circule dans un conducteur. Les électrons, c'est-à-dire les porteurs de charge négative, se déplacent dans le matériau de manière désordonnée et en grande partie indépendamment les uns des autres. Pour les physiciens, la situation devient toutefois beaucoup plus intéressante lorsque les porteurs de charge s'influencent si fortement les uns les autres que cette image simple ne correspond plus.

C'est par exemple le cas dans le "Twisted Bilayer Graphene", découvert il y a quelques années. Ce matériau est composé de deux couches de graphène ultrafines, chacune constituée d'une seule couche d'atomes de carbone. Si l'on tourne légèrement deux couches voisines l'une contre l'autre, les électrons peuvent être influencés de telle sorte qu'ils interagissent fortement entre eux. Cela permet par exemple au matériau de devenir supraconducteur, c'est-à-dire de conduire l'électricité sans perte.

Une équipe de chercheurs dirigée par Klaus Ensslin et Thomas Ihn au Laboratoire de physique des solides de l'ETH Zurich vient d'observer, en collaboration avec des collègues de l'Université du Texas à Austin (USA), un état inédit dans des bicouches de graphène torsadées. Les électrons chargés négativement et les trous chargés positivement, c'est-à-dire les électrons manquants dans le matériau, sont si fortement corrélés que le matériau ne conduit plus le courant.

Couches de graphène torsadées

"Dans les expériences traditionnelles, où les couches de graphène sont tordues d'environ un degré les unes par rapport aux autres, la mobilité des électrons est influencée par le tunnélisme quantique entre les couches", explique Peter Rickhaus, post-doctorant et premier auteur de l'étude désormais publiée dans la revue "Science". "Dans notre nouvelle expérience, en revanche, nous tordons deux doubles couches de graphène de plus de deux degrés l'une par rapport à l'autre, de sorte que les électrons ne peuvent pratiquement plus tunnelliser entre les doubles couches".

Augmentation de la résistance par couplage

Il en résulte qu'en appliquant un champ électrique, il est possible de créer des électrons libres dans l'une des doubles couches et des trous dans l'autre. Les électrons et les trous peuvent tous deux conduire le courant électrique. On s'attendrait donc à ce que les deux bicouches de graphène forment ensemble un conducteur encore meilleur, avec une résistance plus faible.

Mais dans certaines circonstances, c'est exactement le contraire qui se produit, comme l'explique le post-doctorant Folkert de Vries de l'équipe d'Ensslin : "Si nous réglons le champ électrique de manière à ce qu'il y ait à chaque fois autant d'électrons que de trous dans les doubles couches, la résistance augmente soudain de manière extrême."Pendant plusieurs semaines, Ensslin et ses collaborateurs n'ont pas vraiment pu expliquer ce résultat surprenant, jusqu'à ce que leur collègue théoricien Allan H. MacDonald d'Austin leur donne finalement le conseil décisif : ils avaient, selon MacDonald, observé un nouveau type d'onde de densité.

Les ondes dites de densité de charge se forment normalement dans les conducteurs unidimensionnels, lorsque les électrons du matériau conduisent collectivement le courant et s'organisent ainsi spatialement en ondes. Dans l'expérience des chercheurs de l'ETH, ce sont maintenant les électrons et les trous qui s'accouplent par attraction électrostatique et forment ainsi une onde de densité collective. Toutefois, cette onde de densité est ici constituée de paires électron-trou électriquement neutres, de sorte que les deux couches doubles ne peuvent plus conduire de courant ensemble.

Nouvel état corrélé

"Il s'agit d'un tout nouvel état corrélé d'électrons et de trous qui n'a globalement aucune charge", explique Ensslin. "Cet état neutre peut néanmoins transmettre des informations ou conduire la chaleur. La particularité est en outre que nous pouvons le contrôler entièrement par l'angle de torsion et la tension appliquée". Des états similaires ont certes déjà été observés dans d'autres matériaux, dans lesquels des paires électron-trou (également appelées excitons) sont générées au moyen d'une excitation par lumière laser. Mais dans l'expérience de l'ETH, les électrons et les trous se trouvent dans l'état fondamental, c'est-à-dire dans l'état de plus faible énergie, ce qui fait que leur durée de vie n'est pas limitée par une désintégration spontanée.

Utilisation possible dans les technologies quantiques

Ensslin, dont le domaine de spécialité est l'étude des propriétés électroniques des petits systèmes quantiques, spécule déjà sur la manière dont le nouvel état corrélé pourrait être utilisé pour des applications. Pour cela, il faut toutefois encore effectuer quelques travaux préliminaires. On pourrait capturer les paires électron-trou, par exemple dans un résonateur (Fabry-Pérot). C'est une tâche exigeante, car les particules neutres ne peuvent pas être contrôlées directement, par exemple avec des champs électriques. D'un autre côté, la neutralité électrique pourrait aussi être un avantage : elle pourrait permettre de rendre les mémoires de données quantiques moins sensibles aux champs électriques perturbateurs.