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Etudier avec des micro-ondes une transition topologique analogue à celle du graphène sous contrainte

5 février 2013

LPS - UMR 8502 , LPMC - UMR 7336 , graphène , conductivité

En étudiant expérimentalement un réseau en nid d’abeille de cylindres diélectriques résonants, des physiciens ont pu observer et étudier une transition semi-métal/isolant analogue à celle qui est attendue dans le graphène sous contrainte.

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Le graphène, une feuille d’atomes de carbone disposés en nid d’abeille, est actuellement l’objet de toutes les attentions des physiciens pour ses propriétés mécaniques, thermiques, électriques et optiques. Les chercheurs tentent maintenant d’ajuster ses propriétés, notamment sa conductivité électrique, en manipulant sa structure. La difficulté pratique du contrôle précis de l’arrangement des atomes de carbone a conduit des physiciens du Laboratoire de Physique de la Matière Condensée - LPMC (CNRS / Univ. Nice–Sophia Antipolis) et du Laboratoire de Physique des Solides - LPS (CNRS / Univ. Paris-Sud) d’Orsay à réaliser un modèle macroscopique de graphène dans lequel les atomes de carbone sont remplacés par des cylindres diélectriques résonnants de taille centimétrique. Un champ électromagnétique dans la gamme des micro-ondes joue le rôle de l’onde quantique des électrons du graphène. En changeant la position des cylindres pour simuler une compression homogène suivant un axe du réseau, ils ont observé une transition entre une phase « semi-métallique » et une phase isolante, et mis en évidence l’apparition concomitante d’états exotiques sur les bords du système. Ce travail fait l’objet d’une publication dans la revue Physical Review Letters.

Pour cette expérience, quelques centaines de cylindres de 5 millimètres de hauteur, 8 millimètres de diamètre et d’un indice optique de 6 sont positionnés suivant un réseau en nid d’abeille. Dans la configuration initiale, le centre de chaque cylindre est placé à une distance de 15 millimètres de ses trois plus proches voisins. La configuration globale est celle d’un hexagone régulier offrant des bords en créneaux – cette structure étant choisie pour éviter des effets de bord parasites pouvant jouer un rôle dominant dans le transport. Les physiciens ont mesuré l’ensemble des fréquences propres du réseau ainsi que la répartition spatiale du champ micro-ondes associée à certaines d’entre-elles. La densité d’états obtenue exhibe la même structure que celles des ondes électroniques du graphène. Les mesures confirment l’absence d’états de bord : aucune concentration particulière d’énergie sur les arêtes n’est observée. Les chercheurs ont ensuite déplacé les cylindres le long d’un axe parallèle à l’une des 3 directions des arêtes de l’hexagone, de manière à reproduire une compression uni-axiale. Le long de cet axe, la distance entre cylindres voisins est réduit par étapes jusqu’à 11 millimètres. Au-delà d’une déformation critique, il apparaît une bande de fréquence pour laquelle les micro-ondes ne peuvent plus se propager dans le réseau. L’apparition de cette bande interdite correspond pour le graphène à une transition vers un état isolant. La déformation a également pour effet de faire apparaître des états localisés sur les bords qui coupent l’axe de compression ; la concentration de l’énergie sur les bords étant d’autant plus importante que la déformation est forte. Les chercheurs s’orientent maintenant, d’une part, sur une étude approfondie des états de bords pour des contours plus complexes. D’autre part, en réalisant une compression variable dans l’espace, ils tentent de simuler l’action d’un pseudo-champ magnétique et de mettre alors en évidence l’apparition de niveaux de Landau.

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Distributions de l’intensité du champ électrique (échelle du blanc (min.) au rouge (max.)) mesurées expérimentalement à une fréquence particulière correspondant au point de Dirac du graphène.
1. Cas d’une structure régulière : aucun état n’est associé à cette fréquence. 2. Cas d’une structure faiblement compressée : des états apparaissent. 3. Cas d’une structure fortement compressée : les états sont principalement localisés sur les bords.

En savoir plus

Topological transition of Dirac points in a microwave experiment, M. Bellec1, U. Kuhl1, G. Montambaux2 et F. Mortessagne1, Physical Review Letters (2013).

Retrouvez l’article de la publication sur la base ouverte arXiv

Contact chercheur

Fabrice Mortessagne, Professeur, Université de Nice

- Présentation détaillée de l’expérience présentée ici disponible sur le site du GDR MesoIm@ge : Microwave emulation of strained graphene

Informations complémentaires

1 Laboratoire Physique de la Matière Condensée (LPMC),

2 Laboratoire de Physique des Solides (LPS),

Contacts INP

Jean-Michel Courty,
Catherine Dematteis,
Simon Jumel,
inp-communication cnrs-dir.fr