Le graphène

Le graphène est une feuille de carbone de l’épaisseur d’un atome, obtenue en 2004 par l’équipe de Geim et Novoselov à l’université de Manchester. Son réseau bidimensionnel en forme de nids d’abeille lui procure des propriétés particulières.

1. Les électrons se déplacent dans ce réseau comme s’ils n’avaient pas de masse et sont décrits par l’équation relativiste de Dirac. Ils se déplacent à une vitesse 300 fois inférieure à celle de la lumière dans le vide.
2. Les autres fermions de Dirac de masse nulle sont les neutrinos, bien connus en physique des particules. La différence est que les neutrinos n’ont pas de charge électrique comme leur nom l’indique et sont par conséquent peu sujets aux interactions avec la matière.
3. L’effet Hall quantique des feuilles de graphène est différent de l’effet Hall des métaux ordinaires. Klaus von Klitzing a montré que la résistivité des gaz d’électrons bidimensionnels devient quantifiée quand la température approche le 0 absolu. L’effet Hall quantique ordinaire est décrit par la résistivité où est la charge électrique, la constante de Planck et un entier positif.
4. Dans le graphène, la résistivité est quantifiée seulement par des nombres impairs. Cet effet a été observé par le groupe de Geim et celui de Kim de l’université Columbia (USA), et qui plus est à température ambiante.
5. Contrairement aux métaux ordinaires, le graphène a une résistance électrique indépendante du nombre d’impuretés présentes dans le milieu. L’espoir est de construire un jour des « transistors balistiques » ultrarapides.
6. La constante de structure fine du graphène (caractérisant la force de l’interaction électromagnétique) devrait être plus grande que celle donnée par la QED (électrodynamique quantique). Elle n’a pas encore été mesurée.

Avec ces particularités, le graphène permet d’explorer des domaines habituellement réservés à la physique des hautes énergies.

Il peut s’avérer utile pour l’étude de la brisure de symétrie chirale (les neutrinos ont une hélicité gauche, et les anti-neutrinos une hélicité droite). Les électrons dans le graphène ont aussi bien une hélicité gauche qu’une hélicité droite. Il serait intéressant de voir dans quelles conditions une brisure de symétrie peut apparaître.

La constante de structure fine pourrait ne pas être constante, comme le propose Xiao-Gang Wen du MIT. Le graphène pourrait permettre d’investiguer ces théories.

Le phénomène de Zitterbewegung (oscillations des électrons de Dirac le long de leur trajectoire dues aux interférences entre électrons et trous) pourrait être étudié plus facilement, puisque l’amplitude des oscillations devient non négligeable dans le graphène et serait de l’ordre du nanomètre.

Le graphène pourrait permettre aussi l’étude du paradoxe de Klein, pour lequel une barrière de potentiel devient transparente aux électrons relativistes.

Source : article de Physics World.