Une comparaison des calculs théoriques (rangée du haut) et des données de diffusion inélastique des neutrons de l'ARCS à la source de neutrons de spallation (rangée du bas) montre l'excellent accord entre les deux. Les trois figures représentent différentes tranches à travers les volumes de diffusion à quatre dimensions produits par les excitations électroniques. Crédit :DOE/Laboratoire National d'Argonne
En exploitant les propriétés des neutrons pour sonder les électrons dans un métal, une équipe de chercheurs dirigée par le laboratoire national d'Argonne du département américain de l'Énergie (DOE) a acquis de nouvelles connaissances sur le comportement des systèmes d'électrons corrélés, qui sont des matériaux qui ont des propriétés utiles telles que le magnétisme ou la supraconductivité.
La recherche, à publier dans Science , montre à quel point les scientifiques peuvent prédire les propriétés et la fonctionnalité des matériaux, nous permettant d'explorer leur potentiel d'utilisation de manière innovante.
"Notre mission du ministère de l'Énergie est de découvrir puis de comprendre de nouveaux matériaux qui pourraient constituer la base d'applications complètement nouvelles, " a déclaré l'auteur principal Ray Osborn, chercheur principal au sein du groupe de diffusion des neutrons et des rayons X d'Argonne.
Osborn et ses collègues ont étudié un système électronique fortement corrélé (CePd
"Être capable de prédire avec confiance le comportement des électrons lorsque les températures changent devrait encourager un couplage beaucoup plus ambitieux de résultats expérimentaux et de modèles que ce qui a été tenté auparavant, " dit Osborn.
« Dans de nombreux métaux, nous considérons les électrons mobiles responsables de la conduction électrique comme se déplaçant indépendamment les uns des autres, faiblement affecté par la répulsion électron-électron, " dit-il. " Cependant, il existe une classe importante de matériaux dans lesquels les interactions électron-électron sont si fortes qu'elles ne peuvent être ignorées."
Les scientifiques étudient ces systèmes électroniques fortement corrélés depuis plus de cinq décennies, et l'une des prédictions théoriques les plus importantes est qu'à haute température, les interactions électroniques provoquent des fluctuations aléatoires qui entravent leur mobilité.
"Ils deviennent de 'mauvais' métaux, " dit Osborn. Cependant, à basse température, les excitations électroniques commencent à ressembler à celles des métaux normaux, mais avec des vitesses d'électrons très réduites.
L'existence de ce croisement de fluctuations aléatoires incohérentes à haute température vers des états électroniques cohérents à basse température avait été postulée en 1985 par l'un des co-auteurs, Jon Lawrence, professeur à l'Université de Californie, Irvine. Bien qu'il existe des preuves de cela dans les expériences de photoémission, Le co-auteur d'Argonne, Stephan Rosenkranz, a noté qu'il est très difficile de comparer ces mesures avec des calculs théoriques réalistes car il y a trop d'incertitudes dans la modélisation des intensités expérimentales.
L'équipe, basé principalement à Argonne et dans d'autres laboratoires du DOE, ont montré que les neutrons sondent les électrons d'une manière différente qui surmonte les limites de la spectroscopie de photoémission et d'autres techniques.
Ce travail est rendu possible grâce aux progrès de la spectroscopie neutronique à la source de neutrons de spallation (SNS) du DOE au laboratoire national d'Oak Ridge, une installation utilisateur du DOE Office of Science, et la source de neutrons pulsés ISIS du Royaume-Uni, qui permettent des mesures complètes sur une large gamme d'énergies et de transferts de quantité de mouvement. Les deux ont joué un rôle essentiel dans cette étude.
« Les neutrons sont absolument essentiels pour cette recherche, " Osborn dit. " La diffusion de neutrons est la seule technique qui est sensible à l'ensemble du spectre des fluctuations électroniques dans quatre dimensions de quantité de mouvement et d'énergie, et la seule technique qui peut être comparée de manière fiable à des calculs théoriques réalistes sur une échelle d'intensité absolue."
Avec cette étude, ces mesures quadridimensionnelles ont maintenant été directement comparées à des calculs utilisant de nouvelles techniques de calcul spécialement développées pour les systèmes électroniques fortement corrélés. La technique, connue sous le nom de théorie du champ moyen dynamique, définit une façon de calculer les propriétés électroniques qui incluent de fortes interactions électron-électron.
Osborn a reconnu les contributions d'Eugène Goremychkin, un ancien scientifique d'Argonne qui a dirigé l'analyse des données, et le théoricien de l'Argonne Hyowon Park, qui a effectué les calculs. L'accord entre la théorie et les expériences était "vraiment remarquable, " dit Osborn.
Regarder vers l'avant, les chercheurs sont optimistes quant à l'idée de combler l'écart entre les résultats des expériences de physique de la matière condensée et les modèles théoriques.
« Comment arrivez-vous à un stade où les modèles sont fiables ? » dit Osborn. "Cet article montre que nous pouvons maintenant modéliser théoriquement même des systèmes extrêmement complexes. Ces techniques pourraient accélérer notre découverte de nouveaux matériaux."
