Le matériau récemment découvert K 2 Cr 3 Comme 3 a une structure constituée de chaînes Cr-As parallèles, ce qui donne l'occasion d'étudier le comportement exotique qui devrait se produire lorsque les électrons sont effectivement confinés pour se déplacer uniquement dans une dimension. Ses propriétés particulières, ayant un état métallique inhabituel avant supraconducteur à 7 K, ont rendu les chercheurs curieux de savoir comment décrire au mieux les électrons de conduction dans le système.

Dans une publication récente en Lettres d'examen physique , scientifiques de Diamond Light Source, en collaboration avec des partenaires d'ISIS Neutron &Muon Source ainsi que des universités britanniques et internationales, a utilisé la ligne de lumière de spectroscopie de photoémission à résolution angulaire (ARPES) (I05) pour effectuer les premières mesures réussies de spectroscopie de photoémission à résolution angulaire de K 2 Cr 3 Comme 3 . Ils ont détecté une signature caractéristique d'un liquide Tomonoga-Luttinger, qui est le modèle théorique des électrons dans un cristal unidimensionnel. Ces mesures confirment que l'image unidimensionnelle est vraie, ce qui rend l'apparition de la supraconductivité dans le système encore plus intrigante.

Différentes idées dans une dimension

Les physiciens de la matière condensée ont plusieurs modèles pour le comportement des électrons à l'intérieur des solides. Il est souvent pratique de penser que les électrons sont étroitement liés à un site atomique particulier. Dans d'autres cas, ils pensent que les électrons sont « délocalisés » – les électrons sont libres de sauter d'un site à l'autre. Dans ce cas, les électrons interagissent fortement avec les ions du réseau et entre eux, qui se transforme rapidement en un problème de mécanique quantique à N corps très complexe. Cependant, sur le terrain, il est entendu que les états qui émergent de ce problème intriqué sont nommés "quasiparticles", qui se comportent un peu comme des électrons individuels mais peuvent avoir une « masse effective » différente de celle d'un électron libre. Ce concept est un élément constitutif de notre compréhension des métaux et des semi-conducteurs, et sera familier à tout physicien de premier cycle. Mais l'image des quasiparticules, qui fonctionne si bien pour les matériaux 3D et 2D, se décompose théoriquement en une dimension.

En fait, il existe une description théorique bien établie des électrons dans un cristal unidimensionnel, connu sous le nom de « liquide Tomonoga-Luttinger ». Dans ce scénario, on ne considère plus le mouvement des électrons individuels, mais au lieu de cela, les électrons se déplacent collectivement, avec un mouvement ondulatoire. "Vous pouvez penser à ça comme à une discothèque de l'école de sixième, " a déclaré le Dr Matthew Watson, l'auteur principal de l'étude. "Habituellement, chacun fait son truc, se cogner de temps en temps, mais finalement vient le temps où tout le monde se rassemble pour créer une ligne de conga, qui prend sa propre vie."

Preuve d'un état liquide de Tomonoga-Luttinger dans K quasi-unidimensionnel 2 Cr 3 Comme 3

La question expérimentale est de savoir si quelque chose ressemblant aux résultats mathématiques pour une dimension peut exister dans un vrai cristal, et puis aussi de découvrir quelles propriétés physiques pourraient en ressortir. Le matériau récemment découvert K 2 Cr 3 Comme 3 offre une nouvelle opportunité pour de telles enquêtes. Les cristaux de ce matériau sont bien entendu des objets tridimensionnels, formant de longues aiguilles. Cependant, les cristaux sont constitués de structures en chaîne parallèles construites à partir des atomes de Cr et d'As, de sorte qu'il y a clairement une direction préférée dans le système. Les physiciens aiment appeler de tels systèmes «quasi-unidimensionnels». La question est; les électrons de conduction se comportent-ils comme s'ils étaient dans un système véritablement unidimensionnel, ou le système aurait-il des états de quasi-particules après tout ?

Le Dr Watson et ses collègues ont utilisé la technique de la spectroscopie de photoémission à résolution angulaire pour étudier les états électroniques dans K 2 Cr 3 Comme 3 . Premièrement, en utilisant les capacités haute résolution de la ligne de lumière I05 de Diamond, ils ont établi les "dispersions" des états électroniques, c'est-à-dire les moyens autorisés pour les électrons de se déplacer à l'intérieur du cristal, et a montré que c'était entièrement unidimensionnel. En outre, les chercheurs ont découvert qu'ils n'avaient aucune intensité dans les mesures pour les états d'énergie les plus bas. "Dans l'image des quasi-particules, nous nous attendrions à trouver des états électroniques jusqu'aux énergies de liaison les plus basses", a déclaré le Dr Watson, "mais au lieu de cela, nous avons vu un épuisement total de ces états dans notre mesure." Cette observation confirme que l'image de quasiparticule ne s'applique pas à K 2 Cr 3 Comme 3 , mais peut être naturellement compris dans le contexte d'un liquide Tomonoga-Luttinger.