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Effet Hall quantique dans le graphène

Le graphite est composé de plusieurs couches d’atomes de carbone, empilées les unes sur les autres à la manière d’une pâte feuilletée, et interagissant faiblement les unes avec les autres. Cette faible cohésion entre les couches donne au graphite un aspect très friable, ce qui le rend aisément exfoliable. Récemment, une technique simple d’exfoliation du graphite a été mise en place pour isoler un plan unique d’atome de carbone sur un substrat isolant : il s’agit du graphène. Un tel système possède des propriétés électroniques remarquables qui sont d’une part liées à son caractère parfaitement bidimensionnel, d’autre part à l’arrangement en nid d’abeille des atomes de carbone le constituant.

L’effet le plus spectaculaire observé dans le graphène est certainement l’effet Hall quantique. D’une manière générale, lorsque des porteurs de charge (électrons ou trous) sont soumis à un champ magnétique perpendiculaire à leur plan de confinement, la conductance de Hall Gxy est quantifiée à des valeurs multiples de G0=e2/h. Cet effet est aussi observé dans le graphène, mais les « plateaux de Hall » apparaissent à des valeurs Gxy=4.e2/h.(n+1/2) où n est un entier, ce qui le distingue des autres systèmes bidimensionnels.

Cette quantification de la conductance de Hall particulière est directement liée à la nature des porteurs de charge qui, dans le graphène, sont à la fois de type électron et trou (en d’autres termes, la fonction d’onde globale est une combinaison linéaire d’état électroniques et de trous) et possèdent une masse nulle ! Aucun autre système connu à ce jour ne présente de telles particularités.

Au laboratoire, nous reproduisons l’effet Hall quantique dans le graphène à l’aide de champs magnétiques très intenses, susceptibles d’engendrer de nouveaux phénomènes non encore explorés à ce jour. En effet, lorsque le champ magnétique est suffisamment grand, la quantification du spectre énergétique en « niveaux de Landau » permet d’explorer les états quantiques fondamentaux de ce système, vers une meilleure connaissance de ses propriétés électroniques.

Résistance longitudinale et résistance de Hall pour un échantillon de graphène. La résistance longitudinale oscille avec le champ magnétique tandis que la résistance de Hall évolue par palier

Lorsque le graphène est réduit en petites bandelettes de quelques dizaines de nanomètre (on parle alors de nano-rubans), ses propriétés électroniques sont de nouveaux modifiées à cause du confinement latéral. Un « gap » apparaît dans son spectre énergétique et est susceptible d’être exploité pour la réalisation des nano-dispositifs électroniques de demain. Là encore, l’action combiné d’un champ magnétique intense et des basses températures permet d’accéder aux propriétés électroniques fondamentales de ce nano-objet encore peu exploré !

References :
Mise à jour en cours...

Membres du laboratoire impliqué dans cette activité :
Bertrand Raquet ; Walter Escoffier ; Michel Goiran ; Jean-Marie poumirol ; Amit Kumar ; Ribeiro Rebeca

Ancien membres du laboratoire impliqué dans cette activité :

Collaborations :
A. Shulka ; R. Kumar ; A. Balan (UPMC - Paris - France)
V. Bellani ; M. Amado (University of Salamanca - Spain)
K.S. Novoselov (University of Manchester - U.K.)
S. Roche (CEA- Grenoble - France)

Selected publications :
Mise à jour en cours...