L’isolant excitonique : un nouvel état de la matière dans des nanotubes de carbone

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Italie | Science de la matière : matériaux, physique, chimie, optique
5 juin 2018

Une étude montre que dans des cylindres obtenus en enroulant du graphène, un isolant excitonique se forme - une réalité prédite il y a un demi siècle par le prix Nobel Walter Kohn et qui n’avait pas encore été confirmée.

Des chercheurs de l’institut des nanosciences du Conseil national des recherches (Nano-Cnr) ont montré que dans les nanotubes de carbone se forme spontanément un nouvel état de la matière appelé isolant excitonique, prédit il y a un demi-siècle par le prix Nobel Walter Kohn et jusqu’alors jamais confirmé de manière définitive. L’étude, menée en collaboration avec la Scuola Internazionale Superiore di Studi Avanzati (Sissa), l’Institut officine des matériaux (Iom-Cnr) et l’Institut structure de la matière (Ism-Cnr) du Conseil national des recherches, a été publiée sur Nature Communications.

Les nanotubes de carbones sont des cylindres obtenus à partir de graphène, un matériau bidimensionnel composé d’une feuille de carbone d’une épaisseur d’un atome qui, une fois enroulée, forme des tubes d’un rayon de quelques nanomètres et d’une longueur similaire à celle du diamètre d’un cheveu. Jusqu’à maintenant, le comportement d’un grand nombre de nanotubes, capables de transporter du courant électrique, s’expliquait en supposant que les électrons des atomes de carbone se déplaçaient facilement et indépendamment les uns des autres sur toute la longueur, c’est à dire que le matériau se comportait comme un métal. Les chercheurs du Nano-Cnr ont cependant montré que quand un électron abandonne un atome de carbone, il ne se déplace pas librement, mais se lie avec le trou qu’il laisse derrière lui, formant une particule composée de l’électron et de ce trou, appelée exciton.

“Nous avons reproduit le comportement collectif de tous ces excitons grâce à des simulations numériques complexes et très fiables, basées sur la mécaniques quantique”, explique Massimo Rontani du Nano-Cnr, “et nous avons pu vérifier que les électrons sont libres de se déplacer seulement s’ils reçoivent une quantité d’énergie suffisante pour dissoudre les excitons. Cela signifie que le nanotube se comporte comme un matériau isolant, un isolant excitonique : il s’agit d’un phénomène quantique fuyant, longtemps recherché”.

Les nanotubes sont des systèmes idéaux pour la nanoélectronique, car ils peuvent fonctionner comme de minuscules tubes conducteurs, et l’étude, en démontrant pour la première fois l’existence de l’isolant excitonique dans les nanotubes de carbone, permettra de mieux comprendre le mécanisme par lequel les nanotubes se comportent comme un métal ou un isolant. “Pour cette recherche nous sommes repartis de zéro, en ignorant l’opinion déjà consolidée selon laquelle l’isolant excitonique ne pouvait pas exister dans les nanotubes de carbone”, explique Daniele Varsano du Nano-Cnr. “Pour arriver à des conclusions fiables, il a fallu des simulations numériques particulières sur supercalculateur, rendues possibles par le centre d’excellence MaX, l’infrastructure européenne dédiée à la recherche computationnelle sur les matériaux conduite par le Nano-Cnr. Grâce aux récents développements du calcul à haute performance, il est maintenant possible de prédire des propriétés de la matière non encore observées, qui étaient encore considérées comme impossibles et n’existaient que dans les livres”.

Source : https://www.galileonet.it/2018/04/isolante-eccitonico-nuovo-stato-materia-nanotubi-carbonio/

Auteur : Alexandar Arroyo, info.csu[a]institutfrancais.it

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