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Spectroscopie du graphite sous champs magnétiques ultra-intenses

La course aux champs magnétiques les plus élevés en tant qu’outil de recherche en sciences de la matière condensée est motivée par la règle générale selon laquelle, plus le champ est intense, plus l’information obtenue sur le système étudié sera riche. Le seuil des 100 Teslas a été franchi récemment avec un aimant non-destructif de l’installation de champs pulsés de Los Alamos, aux Etats-Unis. Des champs beaucoup plus élevés ne sont à ce jour pas réalisables de manière non-destructive car aucun matériau connu ne peut résister aux forces de Lorentz générées à l’intérieur des aimants. Pour atteindre ces champs plus intenses, il faut recourir à des méthodes semi-destructives, qui sacrifient l’aimant pendant le tir mais laissent l’échantillon et son environnement proche intact. Seules quelques rares installations de ce type existent dans le monde, et l’une d’elles se trouve au LNCMI de Toulouse. Cette installation appelée Megagauss a été initialement développée à l’Université Humboldt de Berlin, où elle a généré des champs allant jusqu’à 350 T avec des durées d’impulsion de 5 µs. A Toulouse, elle est maintenant intégrée dans le programme d’accueil des visiteurs, dans un premier tems pour des expériences optiques et spectroscopiques dans la gamme UV -VIS -NIR, à des températures comprises entre 300 et 4 K. Le développement d’autres techniques expérimentales adaptées aux conditions particulières de cette installation est en cours. Nous décrivons ci-dessous les premiers résultats obtenus sur le graphite par un de nos utilisateurs, Robin Nicholas (Université d’Oxford), en utilisant l’installation Megagauss.

Les récentes activités sur les systèmes électroniques bidimensionnels formés à partir de monocouches et bicouches de graphène ont ravivé l’intérêt pour les propriétés du graphite. En particulier, de nombreuses propriétés du graphène bicouche dépendent principalement du couplage entre les couches, lequel est également actif dans le graphite. La plupart des propriétés du graphite aux points de haute symétrie de la zone de Brillouin peuvent être décrites très simplement en combinant un modèle de graphène monocouche de fermions de Dirac, sans masse au point « H » de sa structure de bande, et un modèle de graphène bicouche pour les particules massives au point K. Cependant, il y a très peu de données quantitatives sur la structure des bandes résultant du couplage entre les couches. En utilisant les champs magnétiques ultra-intenses générés par l’installation Megagauss, nous pouvons désormais étendre la magnéto-spectroscopie du graphène et du graphite vers le régime des énergies élevées. Cela nous a permis d’effectuer pour la première fois la magneto-spectroscopie des bandes générées par le couplage inter-couche. Nos résultats montrent que leur comportement peut être très bien modélisé, par analogie avec le comportement relativiste prédit par le modèle bicouche.

Référence : R. Nicholas, P.Y. Solane and O. Portugall, Phys. Rev. Lett. 111, 096802 (2013)