Influence de la structure cristallographique sur les bandes plates de Moiré – FlatMoi

Le lien structure propriété est une thématique fondamentale en matière condensée. Dans les matériaux 2D ce lien prend un aspect exceptionnel puisqu’une structure aussi simple qu’un biplan tourné peut être associée à une structure électronique remarquable avec des bandes plates, des corrélations électroniques fortes et de la supraconductivité. Ces propriétés mis en évidence en 2018 sur des biplans de graphène tournés, ayant un angle de rotation, "magique", proche de 1,1° ont renforcé l’intérêt pour ces matériaux. Malgré de nombreuses études théoriques et expérimentales, la compréhension de cette localisation électronique manque toujours. C’est l’objectif du projet FlatMoi qui pour y parvenir associe des spécialistes des systèmes 2D et de cristallographie.

L’angle de rotation est un paramètre déterminant dans ces systèmes. Nous avons de plus montré qu’une petite dilatation ou contraction d’un plan par rapport à l’autre modifie aussi fortement la structure électronique des bandes plates. Une meilleure compréhension des effets de la structure atomique des moirés s’avère donc indispensable. En effet, ces bicouches sont des bicristaux complexes dont les propriétés cristallographiques sont pilotées par une cellule de moiré très large par rapport à la cellule cristalline monocouche, induisant des interférences quantiques à l'échelle de la cellule de moiré encore mal comprises. Ainsi, cette nouvelle et passionnante physique rejoint à bien des égards des études récentes en cristallographie des systèmes avec moiré (bicristaux et quasi-cristaux).

Notre projet propose d’explorer de nouvelles pistes ouvertes par la maîtrise des propriétés cristallographiques et la manipulation des paramètres importants que sont l’angle de rotation et la déformation dans des biplans homogènes ou hétérogènes de graphène et/ou dichalcogénures de métaux de transition semi-conducteurs. Il s’agit de mieux comprendre l'origine et les caractéristiques de la localisation électronique en renforçant l'interaction entre la recherche en cristallographie et en physique du solide. L'origine de la localisation électronique est une question apparemment simple mais actuellement sans réponse. Y répondre, même partiellement, permettrait de déterminer les paramètres pertinents qui contrôlent la localisation. Pour cela, il est essentiel de combiner des approches très différentes à la fois théoriques et expérimentales d’étude de la structure cristallographique et des propriétés électroniques. Le consortium formé ici regroupe des acteurs français théoriciens (LPTM, NEEL, IRCP) et expérimentateurs (PHILIQS, LPMS) ayant les compétences complémentaires (mesures STM & photoémission, cristallographie, calculs DFT & méthodes des liaisons fortes, magnétisme, diffusion quantique), indispensables pour mener à bien une telle étude et se positionner au premier plan dans la compétition internationale.

Un premier enjeu majeur est de contrôler les déformations dues aux contraintes. Pour cela, un des partenaires (PHELIQS) va construire des cellules de déformations uniaxiales afin de créer un moiré unidimensionnel. Les échantillons ainsi fabriqués seront étudiés par les deux partenaires expérimentateurs et les résultats confrontés aux calculs de structure électronique. Le deuxième enjeu sera de continuer l’études des moirés de bicouches tournées dont trois partenaires (LPTM, NEEL, PHELIQS) sont déjà des acteurs reconnus. Nous mènerons une étude systématique des effets combinés des corrélations électroniques, contraintes et défauts structuraux sur les propriétés électroniques telle que la diffusion quantique dans des biplans métalliques et/ou semi-conducteurs. Nous utiliserons des structures réalistes, déduites des expériences et analysées par les outils de la cristallographie. Le troisième enjeu sera une meilleure compréhension de la bicristallographie sous-jacente, en particulier dans ses développements mathématiques nécessaires pour comprendre la limite aux très petits angles de rotation.