Matériaux et propriétés quantiques - Un nouvel éclairage sur l’effet Hall anomal quantique fractionnaire

Lorsque deux matériaux ultraminces, comme le graphène (une monocouche d’atomes de carbone assemblés en nid d’abeille), sont empilés avec un faible angle de rotation, ils forment un motif de « moiré » (figure 1) à grande échelle, capable de modifier profondément leurs propriétés électroniques. 

 

Ces dernières années, de tels superréseaux de moiré sont devenus des objets privilégiés pour la découverte de nouveaux phénomènes quantiques. Un exemple marquant est l’effet Hall anomal quantique fractionnaire* (FQAHE), observé dans des superréseaux de graphène rhomboédrique (figure 1b). 

Une question fondamentale demeure toutefois : bien que le motif de moiré n’existe qu’à l’interface des différentes couches de graphène empilées, le FQAHE émerge souvent dans des couches de graphène éloignées de cette interface. Comment une modulation confinée à l’échelle nanométrique d’une seule couche peut-elle influencer des électrons situés plusieurs couches plus loin ?

Pour répondre à cette question, l’équipe de Shuyun Zhou à l’Université Tsinghua, en collaboration avec des chercheurs de l’Université Jiao Tong de Shanghai et de l’Université de Pékin, a étudié une hétérostructure composée de cinq couches de graphène rhomboédrique et de nitrure de bore, un système dans lequel le FQAHE a déjà été observé. Leur objectif était de visualiser directement comment le potentiel de moiré modifie la structure électronique à travers l’ensemble des cinq couches. 

En collaboration avec le Dr Pavel Dudin et le Dr José Avila sur la ligne de lumière ANTARES, les chercheurs ont eu recours à la nanoARPES (ARPES : spectroscopie de photoélectrons résolue en angle), une technique permettant de cartographier les relations énergie-impulsion des électrons avec une résolution spatiale submicronique. Ce niveau de précision était indispensable, les échantillons ne mesurant que quelques micromètres, bien en-deçà des capacités de l’ARPES conventionnelle (figure 2).
 

Les mesures ont mis en évidence deux résultats majeurs. D’une part, les chercheurs ont observé directement des bandes électroniques plates* topologiques, dans lesquelles les électrons se déplacent avec une vitesse extrêmement faible et présentent de fortes interactions, apportant ainsi une preuve expérimentale longtemps recherchée dans ce système.

D’autre part, ils ont observé des bandes de moiré clairement définies non seulement à l’interface de moiré, mais également dans des couches de graphène éloignées de celle-ci, ainsi qu’une bande plate topologique fortement amplifiée par le potentiel de moiré (figure 3).
 

Ces résultats démontrent que le potentiel de moiré exerce une influence à longue portée inattendue, modifiant les états électroniques bien au-delà de l’interface où le motif de moiré se forme. Pour interpréter ce comportement, des simulations théoriques montrent que le fort couplage inter-couches permet aux modulations induites par le moiré, tant de charge que d’états électroniques, de se propager à travers l’ensemble de l’empilement. 

Ce mécanisme fournit une explication possible à l’apparition du FQAHE loin de l’interface et apporte des éléments essentiels pour répondre à une question ouverte importante dans ce domaine de recherche.