Un motif de vannerie japonaise connu sous le nom de motif kagome préoccupe les physiciens depuis des décennies. Les paniers Kagome sont généralement fabriqués à partir de bandes de bambou tissées dans un motif très symétrique d'entrelacs, triangles partageant les coins.

Si un métal ou un autre matériau conducteur pouvait ressembler à un tel motif kagome à l'échelle atomique, avec des atomes individuels disposés en motifs triangulaires similaires, il devrait en théorie présenter des propriétés électroniques exotiques.

Dans un article publié aujourd'hui dans La nature , physiciens du MIT, Université de Harvard, et Lawrence Berkeley National Laboratory rapportent qu'ils ont pour la première fois produit un métal kagome - un cristal électriquement conducteur, constitué de couches d'atomes de fer et d'étain, avec chaque couche atomique disposée selon le motif répétitif d'un réseau kagome.

Quand ils ont fait circuler un courant à travers les couches de kagome dans le cristal, les chercheurs ont observé que l'arrangement triangulaire des atomes induisait d'étranges, comportements de type quantique dans le courant de passage. Au lieu de couler directement à travers le treillis, les électrons ont plutôt viré, ou replié dans le treillis.

Ce comportement est un cousin tridimensionnel de l'effet Hall quantique, dans lequel les électrons circulant à travers un matériau bidimensionnel présenteront un "chiral, état topologique, " dans lequel ils se plient en serrant, chemins circulaires et s'écoulent le long des bords sans perdre d'énergie.

"En construisant le réseau kagome de fer, qui est intrinsèquement magnétique, ce comportement exotique persiste à température ambiante et plus, " dit Joseph Checkelsky, professeur assistant de physique au MIT. "Les charges dans le cristal ressentent non seulement les champs magnétiques de ces atomes, mais aussi une force magnétique purement quantique du réseau. Cela pourrait conduire à une conduction parfaite, apparenté à la supraconductivité, dans les générations futures de matériaux."

Pour explorer ces découvertes, l'équipe a mesuré le spectre d'énergie dans le cristal, en utilisant une version moderne d'un effet découvert pour la première fois par Heinrich Hertz et expliqué par Einstein, connu sous le nom d'effet photoélectrique.

"Fondamentalement, les électrons sont d'abord éjectés de la surface du matériau puis détectés en fonction de l'angle de décollage et de l'énergie cinétique, " dit Riccardo Comin, professeur adjoint de physique au MIT. "Les images résultantes sont un instantané très direct des niveaux électroniques occupés par les électrons, et dans ce cas, ils ont révélé la création de particules "Dirac" presque sans masse, une version chargée électriquement des photons, le quanta de lumière."

Les spectres ont révélé que les électrons traversent le cristal d'une manière qui suggère que les électrons sans masse à l'origine ont acquis une masse relativiste, semblables aux particules connues sous le nom de fermions massifs de Dirac. Théoriquement, ceci s'explique par la présence des atomes de fer et d'étain constitutifs du réseau. Les premiers sont magnétiques et donnent lieu à une « maniabilité, " ou chiralité. Ces derniers possèdent une charge nucléaire plus lourde, produisant un champ électrique local important. Lorsqu'un courant extérieur circule, il détecte le champ de l'étain non pas comme un champ électrique mais comme un champ magnétique, et se penche.

L'équipe de recherche était dirigée par Checkelsky et Comin, ainsi que les étudiants diplômés Linda Ye et Min Gu Kang en collaboration avec Liang Fu, le professeur agrégé de physique Biedenharn, et postdoctoral Junwei Liu. L'équipe comprend également Christina Wicker '17, chercheur scientifique Takehito Suzuki du MIT, Felix von Cube et David Bell de Harvard, et Chris Jozwiak, Aaron Bostwick, et Eli Rotenberg du Laboratoire national Lawrence Berkeley.

"Aucune alchimie requise"

Les physiciens ont théorisé pendant des décennies que les matériaux électroniques pourraient soutenir le comportement exotique de Quantum Hall avec leur caractère magnétique inhérent et leur géométrie de réseau. Ce n'est qu'il y a plusieurs années que les chercheurs ont progressé dans la réalisation de tels matériaux.

« La communauté s'est rendu compte, pourquoi ne pas faire du système quelque chose de magnétique, et puis le magnétisme inhérent au système pourrait peut-être conduire ce comportement, " dit Checkelsky, qui travaillait à l'époque comme chercheur à l'Université de Tokyo.

Cela a éliminé le besoin de champs produits en laboratoire, typiquement 1 million de fois plus fort que le champ magnétique terrestre, nécessaire pour observer ce comportement.

"Plusieurs groupes de recherche ont pu induire un effet Hall quantique de cette façon, mais toujours à des températures ultrafroides de quelques degrés au-dessus du zéro absolu - le résultat du magnétisme en chausse-pied dans un matériau où il ne s'est pas produit naturellement, " dit Checkelsky.

Au MIT, Checkelsky a plutôt cherché des moyens de conduire ce comportement avec un "magnétisme intrinsèque". Un aperçu clé, motivé par les travaux de doctorat d'Evelyn Tang PhD '15 et du professeur Xiao-Gang Wen, était de rechercher ce comportement dans le réseau kagome. Faire cela, premier auteur Vous broyez ensemble le fer et l'étain, puis chauffé la poudre résultante dans un four, produisant des cristaux à environ 750 degrés Celsius - la température à laquelle les atomes de fer et d'étain préfèrent s'arranger dans un motif de type kagome. Elle a ensuite immergé les cristaux dans un bain de glace pour permettre aux motifs en treillis de rester stables à température ambiante.

"Le motif kagome a de grands espaces vides qui peuvent être faciles à tisser à la main, mais sont souvent instables dans les solides cristallins qui préfèrent le meilleur emballage d'atomes, " dit Ye. "L'astuce ici était de remplir ces vides avec un deuxième type d'atome dans une structure qui était au moins stable à haute température. Réaliser ces matériaux quantiques n'a pas besoin d'alchimie, mais à la place la science des matériaux et la patience."

Plier et sauter vers zéro perte d'énergie

Une fois que les chercheurs ont fait pousser plusieurs échantillons de cristaux, chacun d'environ un millimètre de large, ils ont remis les échantillons à des collaborateurs de Harvard, qui a imagé les couches atomiques individuelles dans chaque cristal en utilisant la microscopie électronique à transmission. Les images résultantes ont révélé que la disposition des atomes de fer et d'étain dans chaque couche ressemblait aux motifs triangulaires du réseau kagome. Spécifiquement, des atomes de fer étaient positionnés aux coins de chaque triangle, tandis qu'un seul atome d'étain se trouvait dans le plus grand espace hexagonal créé entre les triangles entrelacés.

Ye a ensuite fait passer un courant électrique à travers les couches cristallines et surveillé leur flux via les tensions électriques qu'elles ont produites. Elle a constaté que les charges étaient déviées d'une manière qui semblait bidimensionnelle, malgré la nature tridimensionnelle des cristaux. La preuve définitive est venue des expériences photoélectroniques menées par le co-premier auteur Kang qui, en concertation avec l'équipe LBNL, a pu montrer que les spectres électroniques correspondaient effectivement à des électrons bidimensionnels.

"Comme nous avons regardé de près les groupes électroniques, nous avons remarqué quelque chose d'inhabituel, " ajoute Kang. " Les électrons de ce matériau magnétique se sont comportés comme des particules massives de Dirac, quelque chose qui avait été prédit il y a longtemps mais qui n'avait jamais été vu auparavant dans ces systèmes."

"La capacité unique de ce matériau à entrelacer le magnétisme et la topologie suggère qu'ils pourraient bien engendrer d'autres phénomènes émergents, ", dit Comin. "Notre prochain objectif est de détecter et de manipuler les états de bord qui sont la conséquence même de la nature topologique de ces phases électroniques quantiques nouvellement découvertes."

En regardant plus loin, l'équipe étudie maintenant des moyens de stabiliser d'autres structures en treillis kagome plus bidimensionnelles. De tels matériaux, s'ils peuvent être synthétisés, pourrait être utilisé pour explorer non seulement des appareils sans perte d'énergie, comme les lignes électriques sans dissipation, mais aussi des applications vers l'informatique quantique.

"Pour les nouvelles directions de la science de l'information quantique, il y a un intérêt croissant pour de nouveaux circuits quantiques avec des voies sans dissipation et chirales, ", dit Checkelsky. "Ces métaux kagome offrent une nouvelle voie de conception de matériaux pour réaliser de telles nouvelles plates-formes pour les circuits quantiques."