Actualité de l'ENS de Lyon

Si la découverte des matériaux bidimensionnels dont le graphène a apporté son lot de phénomènes physiques nouveaux, les propriétés de transport incroyables de ces matériaux permettent également d’éclairer d’une nouvelle manière des phénomènes déjà observés et supposés compris. Des chercheurs ont revisité le claquage de l’effet Hall quantique en observant la limite intrinsèque dans du graphène haute mobilité à la lumière de mesures de bruit de grenaille haute fréquence. Ils proposent une explication radicalement différente de la vision connue actuellement.

Dans le régime quantique, l’application d’un champ magnétique sur un matériau métallique a un effet drastique maintenant bien connu : celui-ci échange sa bande d’énergie continue par une série discrète de niveaux de Landau en rendant l’échantillon isolant en volume. Appliquer alors un champ électrique faible sur le matériau résulte en un courant sans perte sur les bords... jusqu’à une certaine limite de tension, où le matériau subit un phénomène brutal de claquage, donnant lieu à une avalanche d’électrons excités.

Dans le cas du graphène bi-couche, les chercheurs ont exploré ce mécanisme à l’aide de signaux hautes fréquences (~5 GHz). Nettement plus caractéristique que le courant électrique, c’est le bruit électronique qui leur permet de détecter de façon précise l’apparition du claquage, la qualité exceptionnelle des échantillons de graphène bi-couche permettant d’obtenir des champs de claquage jusqu’à 10^6 V/m, approchant au plus près la limite fondamentale.

Le claquage est généralement compris à l’aide d’un mécanisme mettant en jeu des électrons individuels (le mécanisme Zener) : les électrons peuvent ainsi sauter par effet tunnel quantique d’un niveau de Landau à l’autre, déclenchant ainsi l’avalanche. Et pourtant, la situation est très différente dans le cas du graphène bi-couche de haute qualité étudié : les chercheurs ont montré que ce sont des excitations collectives – connues sous le nom de magnéto-excitons – qui déclenchent le phénomène. Ces excitations peuvent faire intervenir un grand nombre d’électrons (comme indiqué par un facteur de Fano de 20 à B=7T). Dans l’image de l’avalanche, cette dernière n’est ainsi pas constituée de flocons de neige individuels mais d’agrégats comme des boules de neige. Encore une fois, le bruit électronique s’avère plus riche en information que le courant lui-même, et permet de confirmer ce caractère collectif du transport électronique.

Cette étude propose donc une nouvelle interprétation du claquage de l’effet Hall quantique en tant que phénomène collectif dû aux magnéto-excitons. Les minima (appelés « rotons ») d’excitations collectives ayant été introduit dans le cadre de la compréhension de la structure de l’hélium superfluide, l’article fait un pont entre phénomène de claquage de l’effet Hall quantique et transition normal/superfluide.

Source : Landau Velocity for Collective Quantum Hall Breakdown in Bilayer Graphene. W. Yang, H. Graef, X. Lu, G. Zhang, T. Taniguchi, K. Watanabe, A. Bachtold, E. H. T. Teo, E. Baudin, E. Bocquillon, G. Fève, J-M. Berroir, D. Carpentier, M. O. Goerbig & B. Plaçais. Physical review letters 121, 136804 (2018).