"Pourquoi le graphène est-il si étonnant ?" par le Dr Mae-Wan Ho

Rapport de l’ISIS en date du 15/07/2013
Une version entièrement référencée et illustrée de cet article intitulé Why Graphene is Amazing est accessible par les mebres de l’ISIS sur le site http://www.i-sis.org.uk/Why_Graphene_is_Amazing.php ; elle est par ailleurs disponible en téléchargement ici .
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D’innombrables intérêts sont portés sur le graphène après l’invention d’une technique simpliste

Tout a commencé lorsque Konstantin Novoselov, Andre Geim, et leurs collègues ont fait des expérimentations sur des films minces de une à plusieurs couches de graphène, isolées avec du ruban adhésif ou par simple frottement du graphite, c’est à dire le motif ou le dessin, fixé sur une surface dure [1].
La capacité de contrôler les propriétés électroniques d’un matériau en appliquant un champ électrique externe (potentiel de grille, en anglais Gate potential) est au cœur de l’électronique moderne. Cela permet de faire varier la concentration de porteurs de charge dans un dispositif semi-conducteur et donc le courant électrique passant à travers celui-ci.
Comme beaucoup d’autres physiciens de la matière condensée, Novoselov et Geim étaient à l’affût de nouveaux matériaux qui feraient mieux que le silicium dans l’industrie des semi-conducteurs, car le silicium est proche de sa limite de performance (voir [2] The Computer Aspires to the Human Brain, SiS 58) *.
* Version en français : "Quand l’ordinateur ambitionne de devenir un cerveau humain" par le Dr Mae-Wan Ho. Traduction et compléments de Jacques Hallard ; accessible sur le site http://isias.transition89.lautre.net/spip.php?article301
Les chercheurs ont commencé par la recherche de l’effet du champ électrique dans le graphène, et ils ont trouvé l’effet le plus grand, le plus rapide et le plus cohérent jamais observé dans n’importe quel autre matériau.
Ils ont démontré que l’effet Hall quantique (voir l’encadré ci-dessous) se produit même à la température ambiante, ce qui, jusque-là, ne pouvait être observé qu’à des températures très basses bien maîtrisées et avec des appareils électroniques les plus soigneusement élaborés.
Les collègues chercheurs travaillant sur le graphène ont fait les commentaires suivants sur l’observation de ces effets étonnants [3] « dans un matériau fabriqué par une telle technique aussi simpliste qui a déclenché de très nombreux intérêts qui continuent de se manifester à ce jour ».
Au-delà de la gamme des applications potentielles du graphène, c’est le domaine de la science fondamentale qui suscite le plus de passion. (voir [4] Le graphène et le New Age de carbone , SiS 59) *.
* Version en français : "Le graphène et le nouvel âge du carbone" par le Dr Mae-Wan Ho. Traduction et compléments de Jacques Hallard ; accessible sur le site : http://isias.transition89.lautre.net/spip.php?article326

La nouvelle physique de l’électrodynamique quantique

Les expériences de Novoselov, Geim et de leurs collègues [1] ont montré que la conductance électrique augmente de façon linéaire et symétrique lorsque le potentiel de grille appliqué est augmenté de 0V dans les deux sens, positif et négatif, indiquant que les porteurs de charge commutent entre les électrons et les trous d’électrons.
Cet effet de champ ’ambipolaire’ électrique est bien observé dans d’autres semi-conducteurs, mais jamais d’une manière aussi importante, et le courant ne diminue pas à zéro au minimum (0V), où les porteurs de charge sont un mélange d’électrons et de trous.
Dans le même temps, l’effet Hall quantique (voir encadré) a été trouvé à trois températures différentes : proche du zéro absolu, à 70 K [pour K ou kelvin, voir dans la rubrique ‘Définitions’ à la suite de cet article de l’ISIS] et à 300 K (soit la température ambiante) [5] ; ceci étend ainsi la gamme précédente de température pour l’effet Hall quantique par un facteur de 10. La raison pour laquelle l’effet Hall quantique peut être observé même à la température ambiante est due à la nature hautement inhabituelle des porteurs de charge dans le graphène, qui se comportent comme des quasi-particules sans masse appelés « fermions de Dirac » ou particules de Dirac décrites par l’équation de Dirac qui combine la mécanique quantique avec la relativité restreinte ; les fermions ou particules de Dirac se déplacent en de fortes densités, environ 1013 cm-2 à 1/300 de le vitesse de la lumière à travers des milliers de distances inter-atomiques sans diffusion.

L’effet Hall quantique

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Traduction, sélection d’articles en français, définitions et inclusion des liens donnant accès à des informations complémentaires

Jacques Hallard, Ing. CNAM, consultant indépendant.
Relecture et corrections : Christiane Hallard-Lauffenburger, professeur des écoles.
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Courriel : jacques.hallard921@orange.fr
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