Le graphène est un feuillet d'atomes de carbone disposés en nid d'abeilles, qui possède des propriétés remarquables, parmi lesquelles une conductivité électrique exceptionnelle.
Si on superpose deux feuillets de graphène et qu'on les tourne légèrement l'une par rapport à l'autre, on obtient une grande variété de motifs de moiré qui peuvent être associés à de nouvelles propriétés électroniques très originales, dans lesquelles la topologie, une branche des mathématiques, joue un rôle central.
Il est également possible d'obtenir des motifs de moiré en exerçant une contrainte mécanique sur l'un des feuillets et laissant l'autre libre. Si ce point était bien établi, personne n'avait jusqu'à présent réussi à réaliser l'expérience, ni à étudier la possibilité d'une nouvelle physique qui y serait associée.
C'est maintenant chose faite car des chercheurs de l'Irig et leurs collaborateurs ont pu produire un tel empilement de manière fortuite. Leur procédé de libération des feuillets de graphène du substrat en carbure de silicium s'étant révélé légèrement incomplet, quelques atomes de carbone du feuillet de graphène adjacent au substrat sont restés liés chimiquement à des atomes de silicium du substrat, ce qui a induit une contrainte biaxiale, exercée sur le seul feuillet de graphène proche du substrat.
Un moiré en spirale
Ce graphène bicouche, dont un feuillet est soumis à une contrainte bi-axiale et l'autre non, produit un moiré différent de celui du bicouche twisté (deux feuillets empilés dont l'un est tourné par rapport à l'autre).
Les scientifiques ont pu observer les motifs de ce moiré inédit par microscopie par effet tunnel et relier une longueur caractéristique de ces motifs (de 200 nanomètres) à la faible contrainte exercée sur le feuillet proche du substrat. Ils ont ensuite utilisé cette valeur de contrainte pour calculer la relaxation de quelque 3 millions d'atomes de carbone du graphène bicouche, ainsi que le nouveau motif de moiré. Résultat : cette réorganisation des atomes de carbone s'apparente à un tourbillon géant et le moiré simulé apparaît similaire au moiré expérimental !
Les atomes se réarrangent de manière à minimiser l'énergie du graphène bicouche, et plus précisément, à réduire au minimum (à un point !) la région où les réseaux hexagonaux des deux feuillets de graphène sont exactement superposés. D'où cette allure de cyclone ou galaxie spirale dont les bras sont associés à des états électroniques très recherchés (dits topologiques) en physique quantique.
Ces travaux ont été soutenus par le CEA (programme PTC-instrumentation) et l'ANR.