Un graphique d'une interface émergeant spontanément dans un matériau quantique est montré. Dans les couches supérieure et inférieure, les atomes (points verts) du matériau étudié portent un moment magnétique (flèche rouge) qui pointe dans des directions opposées. Dans ces couches, ces moments magnétiques ne sont pas corrélés avec les électrons environnants (points noirs). La couche centrale s'apparente à une interface électronique, dans lequel les atomes ne portent pas de moments magnétiques car ils sont masqués par les moments magnétiques des électrons environnants (flèches noires). L'effet de tramage est mis en évidence par un nuage de tramage bleu. La diffusion des électrons hors des atomes est différente dans les couches magnétiques et non magnétiques qui peuvent être exploitées pour de nouvelles fonctionnalités. Crédit :Laboratoire national de Los Alamos
Une révolution potentielle dans l'ingénierie des dispositifs pourrait être en cours, grâce à la découverte d'interfaces électroniques fonctionnelles dans les matériaux quantiques qui peuvent s'auto-assembler spontanément.
"Cela illustre que si nous pouvons apprendre à contrôler et à exploiter les propriétés remarquables aux interfaces des matériaux quantiques, cela entraînera probablement une nouvelle génération d'appareils au-delà de notre imagination actuelle, " a déclaré Marc Janoschek, un physicien du Laboratoire national de Los Alamos qui, avec David Fobes, aussi de Los Alamos, co-dirigé l'équipe de recherche internationale qui a fait la découverte. Leurs conclusions ont été publiées aujourd'hui dans Physique de la nature . "Toutefois, parce que les matériaux quantiques sont chimiquement beaucoup plus complexes par rapport aux matériaux « classiques » tels que les semi-conducteurs, cela reste un défi de fabriquer des interfaces matérielles quantiques propres."
Les matériaux dont les propriétés sont caractérisées par les lois de la mécanique quantique plutôt que par la mécanique classique ont souvent des caractéristiques telles que la supraconductivité. Mais des recherches approfondies ont montré qu'aux interfaces entre deux matériaux, les propriétés remarquables des matériaux quantiques peuvent être fortement améliorées ou des propriétés fonctionnelles entièrement nouvelles peuvent apparaître.
Un exemple de l'importance des interfaces matérielles serait les transistors, dont la fonction est basée sur des effets physiques se produisant au niveau d'interfaces semi-conductrices artificiellement conçues via des techniques telles que la lithographie. Les transistors constituent la base de la génération actuelle d'appareils électroniques.
La complexité des matériaux quantiques est souvent caractérisée par la compétition de diverses interactions au niveau quantique.
"Nous avons montré ici qu'en même temps cette complexité apporte aussi une solution, " dit Fobes, qui a effectué sa recherche postdoctorale sous la direction de Janoschek. Fobes et Janoschek ont dirigé l'équipe internationale de chercheurs qui ont combiné des mesures étendues de spectroscopie neutronique de la source de neutrons de spallation (SNS) du Laboratoire national d'Oak Ridge (ORNL), Centre de recherche sur les neutrons (NCNR) du National Institute of Standards and Technology (NIST), Source de neutrons et de muons du Royaume-Uni (ISIS), et au Munich Research Reactor II (FRM II) du Heinz-Mayer-Leibnitz Zentrum en Allemagne avec une modélisation théorique détaillée.
Marc Janoschek, la gauche, et David Fobes discutent des caractéristiques des matériaux quantiques. Crédit :Laboratoire national de Los Alamos
« Les mesures de spectroscopie neutronique ont été cruciales pour démontrer que dans certains métaux, la compétition entre diverses interactions peut être résolue par la formation spontanée d'un état dans lequel les propriétés électroniques et magnétiques alternent périodiquement, " a déclaré Georg Ehlers, le scientifique de l'ORNL qui a effectué des mesures de spectroscopie au SNS.
Cet arrangement périodique conduit à des interfaces entre des couches de matériaux alternées qui s'apparentent à des interfaces dans des hétérostructures conçues. Cependant, les interfaces à auto-assemblage spontanées identifiées dans cette étude présentent des avantages majeurs; ils sont intrinsèquement propres, et les paramètres pertinents tels que l'épaisseur de l'interface peuvent être réglés in situ via des paramètres externes tels que le champ magnétique ou la température.
Les ingrédients de base identifiés par Fobes et l'équipe sont communs à plusieurs classes de matériaux quantiques et suggèrent que ces interfaces intrinsèques et accordables peuvent être plus fréquentes. Apprendre à maîtriser l'auto-assemblage de telles interfaces quantiques intrinsèques, à son tour, a le potentiel de révolutionner la conception des appareils, où les dispositifs ne sont pas fabriqués mais se forment spontanément via l'ingénierie quantique des interactions sous-jacentes à l'échelle atomique. En outre, ces appareils peuvent être réglés et reconfigurés à l'aide de paramètres externes, permettant éventuellement la conception d'une électronique hautement adaptative.
