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Comptes Rendus Physique
Volume 19, n° 5
pages 285-305 (juillet 2018)
Doi : 10.1016/j.crhy.2018.10.010
Grand Prix Servant 2017 de l'Académie des sciences

Artificial graphenes: Dirac matter beyond condensed matter
Graphènes artificiels : matière de Dirac au-delà de la matière condensée
 

Gilles Montambaux
 Laboratoire de physique des solides, CNRS, Université Paris-Sud, Université Paris-Saclay, 91405 Orsay, France 

Abstract

After the discovery of graphene and of its many fascinating properties, there has been a growing interest for the study of “artificial graphenes”. These are totally different and novel systems that bear exciting similarities with graphene. Among them are lattices of ultracold atoms, microwave or photonic lattices, “molecular graphene” or new compounds like phosphorene. The advantage of these structures is that they serve as new playgrounds for measuring and testing physical phenomena that may not be reachable in graphene, in particular the possibility of controlling the existence of Dirac points (or Dirac cones) existing in the electronic spectrum of graphene, of performing interference experiments in reciprocal space, of probing geometrical properties of the wave functions, of manipulating edge states, etc. These cones, which describe the band structure in the vicinity of the two connected energy bands, are characterized by a topological “charge”. They can be moved in the reciprocal space by appropriate modification of external parameters (pressure, twist, sliding, stress, etc.). They can be manipulated, created or suppressed under the condition that the total topological charge be conserved. In this short review, I discuss several aspects of the scenarios of merging or emergence of Dirac points as well as the experimental investigations of these scenarios in condensed matter and beyond.

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Résumé

Après la découverte du graphène et de ses nombreuses propriétés fascinantes, l'étude des « graphènes artificiels » suscite un intérêt croissant. Ce sont des systèmes totalement différents et nouveaux, qui présentent des similitudes intéressantes avec le graphène. Parmi eux, on trouve des réseaux d'atomes ultra-froids, des réseaux micro-ondes ou photoniques, du « graphène moléculaire » ou de nouveaux composés comme le phosphorène. L'avantage de ces structures est qu'elles servent de nouveaux terrains pour mesurer et tester les phénomènes physiques inaccessibles dans le graphène, notamment la possibilité de contrôler l'existence de points de Dirac (ou cônes de Dirac) existant dans le spectre électronique du graphène, d'effectuer des expériences d'interférence dans l'espace réciproque, de sonder les propriétés géométriques des fonctions d'onde, de manipuler des états de bord, etc. Ces cônes, qui décrivent la structure de la bande au voisinage des deux bandes d'énergie connectées, sont caractérisés par une « charge » topologique. Ils peuvent être déplacés dans l'espace réciproque par une modification appropriée des paramètres externes (pression, torsion, glissement, contrainte, etc.). Ils peuvent être manipulés, créés ou supprimés à condition que la charge topologique totale soit conservée. Dans cette brève revue, je discute plusieurs aspects des scénarios de fusion ou d'émergence de points de Dirac ainsi que des investigations expérimentales de ces scénarios dans la matière condensée et au-delà.

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Keywords : Graphene, Ultracold atoms, Microwaves, Polaritons, Phosphorene, Bloch oscillations

Mots-clés : Graphène, Atomes ultra-froids, Micro-ondes, Polaritons, Phosphorène, Oscillations de Bloch


1  Also sometimes called triangular.


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