Graphène : la perfection est futile
C'est une bonne nouvelle pour la communauté mondiale du graphène.
Le graphène, un matériau à base de carbone, possède d'excellentes propriétés électroniques. Mais sont-elles suffisamment stables pour être utiles dans la pratique ? Les calculs de la TU Wien répondent par l'affirmative : Oui.
Le réseau hexagonal est caractéristique du graphène, l'onde symbolise le mouvement des électrons.
Technische Universität Wien
Rien n'est parfait dans le monde. C'est également le cas dans la recherche sur les matériaux. Dans les simulations informatiques, on représente souvent un système de manière très idéalisée ; par exemple, on calcule les propriétés qu'aurait un cristal absolument parfait. Dans la pratique, cependant, nous devons toujours faire face à des effets supplémentaires - des défauts dans le réseau cristallin, des particules supplémentaires qui se fixent sur le matériau, des interactions compliquées entre les particules. La question cruciale est donc la suivante : Ces effets supplémentaires inévitables modifient-ils ou non les propriétés du matériau ?
Cette question est particulièrement intéressante dans le cas du graphène, un matériau bidimensionnel constitué d'une seule couche d'atomes de carbone. On sait depuis longtemps que le graphène possède d'excellentes propriétés électroniques. Cependant, la stabilité de ces propriétés n'était pas claire jusqu'à présent. Sont-elles détruites par les perturbations et les effets supplémentaires, inévitables dans la pratique, ou restent-elles intactes ? L'Université technique de Vienne (TU Wien) est parvenue à développer un modèle informatique complet de structures de graphène réalistes. Il s'est avéré que les effets souhaités sont très stables. Même les morceaux de graphène qui ne sont pas tout à fait parfaits peuvent être utilisés pour des applications technologiques. C'est une bonne nouvelle pour la communauté mondiale du graphène.
De nombreux chemins mènent au graphène
"Nous calculons à l'échelle atomique comment le courant électrique se propage dans un minuscule morceau de graphène", explique le professeur Florian Libisch de l'Institut de physique théorique de l'Université technique de Vienne. "Il existe différentes façons pour un électron de se déplacer dans le matériau. Selon les règles de la physique quantique, il n'est pas obligé de choisir l'un de ces chemins ; l'électron peut emprunter plusieurs chemins en même temps."
Ces différentes trajectoires peuvent ensuite se chevaucher de différentes manières. À des valeurs d'énergie très précises, les chemins s'annulent ; à cette énergie, la probabilité que les électrons traversent le morceau de graphène est très faible, et le courant électrique est minimal. C'est ce qu'on appelle "l'interférence destructive".
"Le fait que le flux de courant diminue considérablement à des valeurs d'énergie très spécifiques pour des raisons de physique quantique est un effet hautement souhaitable sur le plan technologique", explique Florian Libisch. "Il peut être utilisé, par exemple, pour traiter des informations à une échelle minuscule, comme le font les composants électroniques dans les puces d'ordinateur.
On peut également l'utiliser pour développer de nouveaux capteurs quantiques : Supposons qu'un morceau de graphène ne conduise pratiquement aucun courant. Puis, soudainement, une molécule extérieure se fixe à la surface du graphène. "Cette molécule modifie légèrement les propriétés électroniques du morceau de graphène, ce qui peut suffire à augmenter soudainement le flux de courant de manière considérable", explique le Dr Robert Stadler. "Cela pourrait être utilisé pour fabriquer des capteurs extrêmement sensibles.
De nombreuses interférences possibles
Mais les effets physiques qui jouent un rôle dans les détails sont très compliqués : "La taille et la forme du morceau de graphène ne sont pas toujours les mêmes, et il existe des interactions à plusieurs corps entre plusieurs électrons qui sont très difficiles à calculer mathématiquement. Il peut y avoir des atomes supplémentaires non désirés à certains endroits, et les atomes vacillent toujours un peu - tout cela doit être pris en compte pour pouvoir décrire le matériau graphène de manière vraiment réaliste", explique le Dr Angelo Valli.
C'est exactement ce qui vient d'être réalisé à la TU Wien : Angelo Valli, Robert Stadler, Thomas Fabian et Florian Libisch ont des années d'expérience dans la description correcte des différents effets des matériaux dans les modèles informatiques. En combinant leur expertise, ils sont parvenus à développer un modèle informatique complet qui inclut toutes les sources d'erreur pertinentes et les effets de perturbation qui existent dans les graphiques. Ce faisant, ils ont été en mesure de démontrer : Même en présence de ces sources d'erreur, les effets souhaités sont toujours visibles. Il est toujours possible de trouver une certaine énergie pour laquelle le courant ne circule que très peu en raison d'effets quantiques. Des expériences avaient déjà montré que cela était plausible, mais il manquait jusqu'à présent une étude théorique systématique.
Cela prouve que le graphène n'a pas besoin d'être parfait pour être utilisé dans la technologie de l'information quantique ou la détection quantique. C'est un message important pour la recherche appliquée dans ce domaine : Les efforts déployés dans le monde entier pour utiliser les effets quantiques du graphène de manière contrôlée sont en effet prometteurs.
Note: Cet article a été traduit à l'aide d'un système informatique sans intervention humaine. LUMITOS propose ces traductions automatiques pour présenter un plus large éventail d'actualités. Comme cet article a été traduit avec traduction automatique, il est possible qu'il contienne des erreurs de vocabulaire, de syntaxe ou de grammaire. L'article original dans Anglais peut être trouvé ici.
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