Des atomes d’hydrogène révèlent les interactions à l’échelle atomique du graphène

La diffraction, cette tendance générale des ondes à étaler ses directions de propagation au passage d’une ouverture ou d’un obstacle, est un phénomène bien connu qui affecte entre autres les ondes électromagnétiques comme la lumière visible ou les rayons X. De par leur nature ondulatoire (prédite par Louis de Broglie en 1923), les particules possédant une masse sont aussi susceptibles de diffracter, et la première observation d’un tel phénomène remonte à 1927 avec la diffraction des électrons par des feuilles métalliques (expériences de Thomson et Davisson). En principe, cette diffraction proprement quantique est également à l’œuvre pour des particules composites (comme l’atome d’hydrogène, composé d’un proton et d’un électron) passant à travers un matériau mais son observation représente un défi expérimental important. Lorsqu’ils traversent une surface, les atomes ont en effet tendance à perdre leur cohérence ondulatoire, ce qui efface les motifs de diffraction.

Ces recherches ont été menées dans le laboratoire CNRS suivant :

• Institut de physique et chimie des matériaux de Strasbourg (IPCMS, CNRS/Université de Strasbourg)

Dans un travail récent, des chercheurs et chercheuses français et belges ont surmonté cette difficulté en utilisant des atomes d’hydrogène très rapides dont ils se sont servi pour sonder une monocouche de graphène suspendue, préalablement soumise à un traitement thermique afin d’en éliminer les impuretés et les défauts, préservant ainsi la cohérence du faisceau atomique et la figure de diffraction résultante (voir figure ci-dessous).

Les expériences ont conduit à des figures de diffraction hexagonales particulièrement nettes, signatures directes de la structure cristalline du graphène, et de domaines monocristallins bien définis. L’analyse en temps de vol a en outre permis de distinguer clairement les événements de diffusion élastique des processus inélastiques, améliorant encore la qualité des images de diffraction. La comparaison entre les données expérimentales et différents modèles théoriques montre que seuls des calculs ab initio avancés, basés sur la théorie de la fonctionnelle de la densité, parviennent à reproduire fidèlement les intensités observées. Le fait que les modèles plus simples échouent à décrire correctement l’interaction entre l’atome d’hydrogène et le réseau de carbone constitue en elle-même un résultat majeur : elle démontre que la diffraction d’atomes neutres à travers le graphène est une sonde d’une sensibilité exceptionnelle aux détails fins des interactions à l’échelle atomique.

À terme, cette approche pourrait être utilisée pour étudier l’effet de défauts, de contraintes mécaniques ou de modifications chimiques dans les matériaux bidimensionnels. Elle ouvre également la voie à une nouvelle forme de spectroscopie de surface basée sur l’utilisation d’atomes neutres, ainsi qu’à des applications en interférométrie de la matière et en physique fondamentale. Ces résultats sont publiés dans les Physical Review Letters.