Depuis 2016, une équipe de chercheurs du MIT composée d'étudiants diplômés Linda Ye et Min Gu Kang, professeur agrégé de physique Joseph G. Checkelsky, et promotion de 1947, professeur adjoint de développement de carrière en physique Riccardo Comin s'est concentré sur l'exploration de la structure électronique qui se produit lorsque des atomes de fer (Fe) et d'étain (Sn) se combinent en des motifs répétitifs qui ressemblent à des paniers de kagome japonais, ou l'étoile de David. Le comportement électronique de ces structures cristallines "kagome" varie avec le rapport des atomes de fer aux atomes d'étain, généralement trois à deux ou trois à un.

L'année dernière, les membres de l'équipe du MIT et leurs collègues ont signalé que Fe 3 Sn 2 , un composé avec un rapport de trois à deux du fer à l'étain, génère des fermions de Dirac, un type particulier d'état électronique dans lequel le spin de l'électron et l'orbite de l'électron sont couplés l'un à l'autre. Cet état particulier de mouvement des électrons est protégé par la topologie, ou structure géométrique, du cristal.

Les composés fer-étain sont particulièrement intéressants car le magnétisme naturel des atomes de fer affecte davantage leur comportement électronique, en particulier faisant alterner les spins des électrons voisins en sens inverse (horaire ou antihoraire), qui s'appelle antiferromagnétisme. Dans un rapport publié le 9 décembre dans Matériaux naturels , ces chercheurs et 18 co-auteurs aux États-Unis et ailleurs trouvent que dans un composé fer-étain un à un, la symétrie du réseau kagome est particulière, hébergeant simultanément à la fois des particules sans masse infiniment légères (appelées fermions de Dirac) et des particules infiniment lourdes (qui se manifestent expérimentalement sous forme de bandes plates dans la structure électronique du matériau).

"Notre étude combine différents domaines de la physique (topologie, magnétisme, et électrons fortement corrélés) dans une seule plate-forme de métaux kagome idéaux, " dit le co-premier auteur Min Gu Kang, un étudiant diplômé en physique. "Nous pensons que l'exploitation du spectre électronique riche et unique de FeSn pourrait être la base de nouvelles phases topologiques et de dispositifs spintroniques."

La réalisation expérimentale de cette structure de bande électronique spéciale était particulièrement difficile parce que, dans de vrais composés kagome, l'interférence avec un réseau "idéal" provient des électrons interagissant entre les couches, les électrons sautent vers les atomes les plus proches voisins, et les multiples degrés de liberté orbitaux de chaque électron. Pas plus tard qu'en 2014, Le professeur Maria Roser Valenti de l'Université Goethe de Francfort en Allemagne a écrit dans Nature Communications qu'une telle structure de bande kagome idéale est "plus une curiosité numérique d'un modèle simplifié qu'une fonctionnalité accessible dans des matériaux réels".

Une percée dans les travaux en cours a été la synthèse du composé un à un FeSn. La structure de ce composé fer-étain diffère des composés kagome précédemment étudiés, car chaque couche fer-étain à structure kagome est bien séparée par une couche d'espacement constituée uniquement d'atomes d'étain. Dans cette structure, chaque couche de kagome fer-étain se comporte comme une couche de kagome bidimensionnelle à l'intérieur du cristal kagome tridimensionnel, préparer le terrain pour réaliser une structure de groupe kagome idéale.

Les chercheurs ont confirmé leurs découvertes sur la structure électronique du fer-étain un à un en combinant deux sondes de structure électronique complémentaires :la spectroscopie de photoémission à résolution angulaire (ARPES) et les expériences d'oscillation quantique de Haas-van Alphen. Les étudiants diplômés Kang et Abraham L. Levitan du groupe de Riccardo Comin ont réalisé les expériences ARPES à la source lumineuse avancée de Berkeley, Californie, et l'étudiante diplômée Linda Ye dans le groupe de Joe Checkelsky ont réalisé des expériences d'oscillation quantique de Haas-van Alphen au National High Magnetic Field Laboratory à Tallahassee, Floride, et Los Alamos, Nouveau Mexique.

Leurs expériences ARPES dépendant de l'énergie des photons et de la polarisation démontrent sans ambiguïté l'émergence simultanée de fermions de Dirac et de bandes plates près de l'énergie de Fermi, disent les chercheurs. "Cela réalise pleinement les structures électroniques kagome tant recherchées, et fait du FeSn le premier métal kagome « ​​idéal », " dit Kang.

En raison des couches contrastées d'un à un fer-étain - des couches d'atomes de fer et d'étain structurées selon un motif "de type étoile du shérif" ou "kagome" alternant avec des couches d'atomes d'étain uniquement - les chercheurs ont découvert un autre aspect unique de ce matériau. . Lorsque le matériau est tranché, la nouvelle surface révélée se comporte différemment selon qu'elle expose une couche d'étain uniquement ou une couche de fer-étain. Cette structure électronique de surface différente a été confirmée par le faisceau de photons micro-focalisés de la ligne de lumière MAESTRO à la source lumineuse avancée. Cette combinaison de comportements électroniques bidimensionnels et tridimensionnels dans un seul matériau pourrait être exploitée pour concevoir des dispositifs spintroniques à commutation rapide/faible puissance, faire tourner les supraconducteurs, et un effet Hall anormal quantique à haute température, disent les chercheurs.

Cette histoire est republiée avec l'aimable autorisation de MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), un site populaire qui couvre l'actualité de la recherche du MIT, innovation et enseignement.