Oscillations quantiques de l’effet Nernst

8 juillet 2010

Certains effets physiques relativement exotiques s’avèrent souvent très utiles pour décrypter le comportement de la matière à l’échelle microscopiques. C’est le cas de l’effet Nernst, c’est à dire la création d’un champ électrique par échantillon conducteur soumis simultanément à un champ magnétique et à un gradient de température perpendiculaire au champ magnétique. Des physiciens du Laboratoire Photons Et Matière (LPEM - CNRS / ESPCI / UPMC) ont utilisé cet effet pour comparer le régime quantique du mouvement des électrons dans le graphène, un feuillet de carbone épais d’une seule couche atomique, et le graphite, un empilement macroscopique de couches de graphène. Ils ont observé dans le graphite des oscillations quantiques de la réponse thermoélectrique alors que ces oscillations sont absentes dans le graphène. Ce résultat est la signature du fait que le faible couplage entre les couches de graphène est suffisant pour faire passer le système d’une dynamique bidimensionnelle à une dynamique tridimensionnelle. Ces résultats ont été publiés dans la revue Nature Physics.

En présence d’un champ magnétique, les électrons suivent une trajectoire orbitale. Dans le régime quantique, seules certaines de ces trajectoires sont autorisées. La conséquence est qu’en balayant le champ magnétique, diverses propriétés physiques d’un solide métallique dans le régime quantique présentent des oscillations. Quand le déplacement des électrons est restreint à deux dimensions, ces oscillations deviennent une suite de plateaux quantifiés. Pour ces travaux, les chercheurs ont analysé la réponse thermoélectrique transverse d’un échantillon de graphique. Ils ont alors observé des oscillations, absentes dans le cas du graphène. Cela signifie que le mouvement des électrons dans le graphite, bien qu’essentiellement bidimensionnel car guidé dans les plans de graphène, doit être considéré tridimensionnel suite aux faibles couplages entre plans qui offrent aux électrons la possibilité de se déplacer en troisième dimension. Ceci complique grandement un problème qui n’a pas encore été résolu théoriquement.


Fig. 1: Oscillations de l’effet Nernst dans graphite. Elles deviennent de plus en plus prononcées avec le refroidissement.

En savoir plus

Nernst effect and dimensionality in the quantum limit, Zengwei Zhu, Huan Yang, Benoît Fauqué, Yakov Kopelevich & Kamran Behnia, Nature Physics, 6, 26 - 29 (2010).