La découverte en 2018 de la supraconductivité dans deux couches de graphène empilées avec une faible rotation entre elles a mis les projecteurs sur ce système. Des études ultérieures ont montré qu’une physique très riche existe dans ce système. En effet, cet empilement particulier exacerbe l’effet des interactions Coulombiennes entre les électrons à cause d’un effet de moiré entre les couches (voir
Figure). La théorie prédit que les nouvelles phases électroniques observées découlent aussi du fait que les fonctions d’ondes électroniques ont une topologie non-triviale. Cette propriété n’avait pas été prouvée expérimentalement de manière directe. C’est maintenant chose faite.
La topologie des fonctions d’ondes électroniques est révélée par des expériences d’interférométrie. C’est un phénomène analogue à ce qui se passe lorsque les ondes à la surface d’une eau calme se rencontrent, créant un motif particulier appelé interférogramme. Ici, les chercheurs de PHELIQS en collaboration avec l’université de Washington, l’institut Néel, l’université Cergy Pontoise et le laboratoire Onde Matière à Bordeaux ont utilisé un défaut de taille atomique à la surface du moiré. Ce défaut diffuse les électrons de conduction et produit des interférences dans la densité électronique au voisinage du défaut. L’analyse du signal mesuré par microscopie à effet tunnel révèle une forme en hélice qui révèle directement la topologie des fonctions d’ondes. Ce résultat place des contraintes importantes pour les modèles théoriques de ce système. Le modèle le plus simple, qui pourtant reproduit très bien l’énergie des électrons, ne peut pas être utilisé car sa topologie ne correspond pas aux observations.
Au-delà de cette confirmation importante pour ce domaine de recherche, ce travail confirme que la mesure des interférogrammes au voisinage de défauts est un outil précieux pour la détermination de propriétés cachées des fonctions d’ondes.
Figure : Interférogramme (à gauche) de la bicouche de graphene tournée autour du défaut ponctuel, mesurée expérimentalement par microscopie à effet tunnel. Son analyse par transformée de Fourier (à droite), présente une forme d’hélice qui permet de conclure sur la topologie du système. © CEA
Financements
- ANR Flatmoi (ANR-21-CE30-0029)
- TGCC-GENCI (Project AD010910784)
- ANR TopoMat (ANR-23-CE30-0029)
Collaborations
- University of Washington, Seattle, WA, USA
- Univ. Grenoble Alpes, CNRS
- Grenoble INP
- Institut Néel, Grenoble, France.
- Laboratoire de Physique Théorique et Modélisation, CY Cergy Paris Université, CNRS, Cergy-Pontoise, France.
- Université de Bordeaux, CNRS, LOMA, UMR 5798, Talence, France.