Des chercheurs de l'Université Brown ont montré expérimentalement comment une forme unique de magnétisme apparaît dans une étrange classe de matériaux appelés isolants Mott. Les résultats sont un pas vers une meilleure compréhension des états quantiques de ces matériaux, qui ont suscité beaucoup d'intérêt parmi les scientifiques ces dernières années.

L'étude, Publié dans Communication Nature , aide à confirmer de nouveaux travaux théoriques qui tentent d'expliquer comment les électrons se comportent dans ces matériaux étranges. Le travail a été effectué en collaboration avec des scientifiques de l'Université de Stanford et du National High Magnetic Field Laboratory.

"Nous avons trouvé que la théorie tient bien, " a déclaré Vesna Mitrovic, un professeur agrégé de physique à Brown qui a dirigé les travaux. "Cela montre que cette nouvelle théorie, basé sur des modèles quantiques impliquant des interactions complexes de spin électronique, est un bon début pour comprendre le magnétisme dans les matériaux en interaction forte."

Les isolants Mott sont des matériaux qui devraient être conducteurs selon les théories traditionnelles de la conductivité électrique, mais agissent néanmoins comme des isolants. L'état isolant survient parce que les électrons dans ces matériaux sont fortement corrélés et se repoussent. Cette dynamique crée une sorte d'embouteillage d'électrons, empêchant les particules de s'écouler pour former un courant.

Les scientifiques espèrent pouvoir trouver des moyens de déplacer ces matériaux dans et hors de l'état isolant Mott, ce qui serait utile pour développer de nouveaux types de dispositifs fonctionnels. Il a également été démontré qu'en introduisant des impuretés dans leur structure, certains isolants Mott deviennent des supraconducteurs à haute température, des matériaux qui peuvent conduire l'électricité sans résistance à des températures bien supérieures à celles normalement requises pour la supraconductivité.

Malgré la promesse de ces matériaux, les scientifiques ne comprennent toujours pas parfaitement comment ils fonctionnent. Une description complète des états électroniques dans ces matériaux a été insaisissable. Au niveau le plus fondamental, chaque électron individuel est caractérisé par sa charge et son spin, son petit moment magnétique qui pointe vers le haut ou vers le bas. Il est difficile de prédire les propriétés des électrons dans les isolants de Mott car les états des électrons sont si étroitement corrélés les uns aux autres - l'état d'un électron influence les états de ses voisins.

Pour compliquer encore les choses, de nombreux isolateurs de Mott présentent ce qu'on appelle un couplage spin-orbite, ce qui signifie que le spin de chaque électron change lorsqu'il orbite autour d'un noyau atomique. Le couplage spin-orbite implique que le moment magnétique de l'électron est affecté par sa mise en orbite autour d'un noyau atomique, et donc le spin d'un électron n'est pas bien défini. Ainsi, prédire les propriétés de ces matériaux nécessite une connaissance des interactions entre les électrons, tandis que les propriétés fondamentales des électrons individuels dépendent de leur mouvement orbital.

"Lorsque vous avez ces interactions complexes plus un couplage d'ordre de spin, cela devient une situation incroyablement compliquée à décrire théoriquement, " a déclaré Mitrović. " Pourtant, nous avons besoin d'une telle théorie quantique fondamentale pour pouvoir prédire de nouvelles propriétés quantiques de matériaux complexes et les exploiter. "

L'étude de Mitrović s'est concentrée sur un type étrange de magnétisme qui se produit lorsque les isolants Mott avec un fort couplage spin-orbite sont refroidis en dessous d'une température critique. Le magnétisme résulte des alignements entre les spins des électrons. Mais dans ce cas, parce que les spins interagissent fortement et que leurs valeurs dépendent du mouvement orbital, on ne comprend pas comment ce magnétisme apparaît dans ces matériaux.

Il y a eu une tentative théorique importante pour montrer ce qui pourrait se passer dans ces matériaux au niveau le plus fondamental pour amener cet état magnétique. Et c'est ce que Mitrović et ses collègues ont voulu tester.

Les collègues de Mitrović à Stanford ont commencé par synthétiser et caractériser thermodynamiquement un matériau isolant Mott fait de baryum, sodium, osmium et oxygène, que Mitrović a sondé en utilisant la résonance magnétique nucléaire. La technique particulière utilisée par l'équipe leur a permis de recueillir des informations sur la distribution des charges d'électrons dans le matériau et des informations sur le spin des électrons en même temps.

Le travail a montré que lorsque le matériau est refroidi, les changements dans la distribution des charges électroniques provoquent une distorsion dans les orbitales atomiques et le réseau du matériau. Au fur et à mesure que la température se refroidit, cette distorsion entraîne le magnétisme en provoquant un alignement des spins des électrons dans les couches individuelles du réseau atomique.

"Nous avons pu déterminer la nature exacte des distorsions de charge orbitale qui précèdent le magnétisme, ainsi que l'alignement exact des spins dans cet état magnétique exotique." a déclaré Mitrović. "Dans une couche, vous avez des spins alignés dans une direction, puis dans les couches au-dessus et en dessous, les spins sont alignés dans des directions différentes. Cela se traduit par un magnétisme faible dans l'ensemble, malgré le fort magnétisme à l'intérieur de chaque couche."

La théorie que Mitrović étudiait prédisait exactement ce magnétisme en couches précédé de distorsions de charge. En tant que tel, les résultats aident à confirmer que la théorie est sur la bonne voie.

Le travail est une étape importante vers la compréhension et la manipulation des propriétés de cette classe intéressante de matériaux pour des applications réelles, dit Mitrovic. En particulier, les matériaux avec couplage d'ordre de spin sont prometteurs pour le développement de dispositifs électroniques qui consomment moins d'énergie que les dispositifs ordinaires.

"Si nous voulons commencer à utiliser ces matériaux dans des appareils, nous devons comprendre comment ils fonctionnent fondamentalement, " Mitrović a déclaré. "De cette façon, nous pouvons régler leurs propriétés pour ce que nous voulons qu'ils fassent. En validant une partie des travaux théoriques sur les isolateurs de Mott à fort couplage spin-orbite, ce travail est une étape importante vers une meilleure compréhension."

Dans un sens plus large, le travail est une étape vers une théorie quantique plus complète du magnétisme.

« Même si le magnétisme est le plus ancien phénomène quantique connu, découvert par les anciens Grecs, une théorie quantique fondamentale du magnétisme reste insaisissable, " Mitrović a déclaré. "Nous avons conçu notre travail pour tester une nouvelle théorie qui tente d'expliquer comment le magnétisme apparaît dans les matériaux exotiques."