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Le graphène génère un effet Faraday... qu'il ne devrait pas générer

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Découverte totalement inattendue : le graphène peut générer un effet Faraday important, une surprise pour un matériau aussi fin. De quoi imaginer de nouveaux dispositifs magnéto-optiques.

La lumière polarisée linéairement est représentée par un champ électrique oscillant selon l'axe y. Elle traverse un feuillet de graphène plongé dans un champ magnétique B. La direction d'oscillation du champ électrique tourne alors d'un angle thêta, c'est l'effet Faraday. © Alexey Kuzmenko

Les astrophysiciens cherchant à mesurer des champs magnétiques intergalactiques, ou dans le milieu interstellaire, connaissent bien l'effet Faraday. Découvert en 1845 par Michael Faraday, ce phénomène magnéto-optique revêt une importance historique : il constitua la première preuve d'un lien entre lumière et électromagnétisme. En effet, lorsque de la lumière polarisée linéairement traverse certains milieux matériels dans lesquels règne un champ magnétique, la direction de la polarisation change d'un angle proportionnel au produit de l'intensité du champ magnétique par la distance parcourue dans un matériau.

En toute logique, un feuillet de graphène (matériau magique dont les découvreurs ont obtenu le prix Nobel de physique 2010) ne devrait pas générer un effet Faraday important puisque son épaisseur est celle d'un atome de carbone. Ce n'est pas logique... mais c'est pourtant ce qu'a découvert une équipe de chercheurs, menée par Alexey Kuzmenko et qui vient de publier ses résultats dans Nature.

Michael Faraday (1791-1867), le physicien et chimiste britannique, bien connu pour ses travaux fondamentaux dans les domaines de l'électromagnétisme et l’électrochimie. © Domaine public, Wikipedia

Une découverte imprévue

Le physicien et ses collègues avaient entrepris d'étudier de plus près l'effet Hall quantique dans le graphène. Cela les avait conduits à plonger un feuillet de graphène dans un champ magnétique (perpendiculaire au feuillet), sur lequel était envoyé un faisceau de lumière infrarouge polarisé linéairement.

La lumière était polarisée par un premier filtre avant sa pénétration dans le film de graphène tandis qu'un second filtre, orienté perpendiculairement par rapport au premier, était placé en sortie. En l'absence d'effet Faraday, ce second filtre ne devait pas laisser passer le faisceau émergent.

Comme les chercheurs s'y attendaient, de la lumière infrarouge traversait bel et bien le second filtre mais, à leur grande surprise, la rotation de la direction de vibration linéaire du champ électrique de cette lumière avait une valeur étonnamment grande pour un matériau aussi fin : 6° !

Des photocoupleurs en infrarouge

Si l'on rapporte cette rotation de la lumière polarisée à l'épaisseur du film, cette étonnante capacité fait du graphène le champion de l'effet Faraday. Ce matériau décidément étonnant bat le précédent record, détenu par un semi-conducteur, d'un facteur 10 environ...

D'après les physiciens, l'explication de cette propriété surprenante du graphène provient d'une autre de ses caractéristiques tout aussi étonnante : le fait que les électrons peuvent s'y déplacer comme s'ils n'avaient pas de masse. Au final, il devient possible de créer des sortes de diodes optiques pour la lumière infrarouge. De tels dispositifs, des photocoupleurs basés sur l'effet Faraday (Faraday isolators en anglais) existaient déjà, mais ils fonctionnaient pour d'autres longueurs d'onde.

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