Il y a un excentrique dans la plupart des familles, mais la physicienne de l'Université Rice, Emilia Morosan, a découvert tout un clan de composés excentriques qui pourraient aider à expliquer le mystérieux fonctionnement électronique et magnétique d'autres ingénieurs des matériaux quantiques qui cherchent des ordinateurs et de l'électronique de nouvelle génération.

Morosan et 30 co-auteurs décrivent le premier membre de la famille - un "réseau semi-métallique Kondo" fabriqué à partir d'ytterbium, rhodium et silicium dans un rapport de 1 à 3 à 7 dans une étude publiée cette semaine dans le journal de l'American Physical Society Examen physique X ( PRX ). L'article décrit deux propriétés de YbRh 3 Si 7 — effets « métamagnétisme » et « Kondo à faible porteuse » — qui ont rarement été mesurés auparavant dans le même matériau.

Morosa, dont le laboratoire est spécialisé dans la conception, découverte et synthèse de matériaux quantiques, a créé la nouvelle famille des 1-3-7 avec le soutien de l'initiative Emergent Phenomena in Quantum Systems (EPiQS) de la Gordon and Betty Moore Foundation. Elle a dit que peu de 1-3-7 avaient été décrits dans la littérature scientifique avant sa recherche financée par Moore. Parmi les nombreux composés de la famille 1-3-7 découverts par son groupe, quatre sont magnétiques, trois sont à base d'ytterbium et "chacun est plus surprenant que le précédent, " elle a dit.

"D'abord, cela nous donne l'occasion de comprendre tout cela, par eux-mêmes, et ensuite de les comprendre en relation les uns avec les autres, " dit Morosan, qui a été nommé chercheur en synthèse de matériaux EPiQS de la Moore Foundation en 2014. "Par exemple, les différences structurelles et chimiques entre ceux-ci sont très faibles. Les paramètres du réseau sont presque identiques. On pourrait s'attendre à ce que les changements physiques soient donc minimes dans ces composés apparentés, mais nous trouvons des propriétés magnétiques et de transport radicalement différentes. Si nous pouvons comprendre pourquoi cela se produit dans cette famille, cela pourrait nous permettre de rechercher des composés avec les propriétés que nous voulons. »

En YbRh 3 Si 7 et tous les autres cristaux, les atomes sont disposés de manière ordonnée. Chaque cristal a son propre motif structurel de signature, ou treillis. Dans les cristaux contenant des éléments magnétiques comme le fer ou l'ytterbium, l'arrangement ordonné des atomes dans un réseau va souvent de pair avec l'ordre magnétique.

Par exemple, chaque électron agit comme un minuscule barreau magnétique en rotation, avec un pôle magnétique positif et négatif à chaque extrémité de son axe de rotation. Le moment magnétique de l'électron fait référence à la direction dans laquelle pointe l'axe de rotation, et dans des éléments comme le fer et l'ytterbium, qui contiennent chacun de nombreux électrons, les atomes peuvent avoir un fort moment magnétique collectif. Dans les ferromagnétiques, les matériaux collés à d'innombrables réfrigérateurs et automobiles, ces moments magnétiques pointent tous dans une direction. Dans les antiferromagnétiques, comme YbRh 3 Si 7 , la moitié des moments pointent dans un sens et l'autre moitié dans le sens opposé.

Les entreprises technologiques sont de plus en plus intéressées par l'utilisation du spin dans les dispositifs à semi-conducteurs. Spintronique, un mouvement grandissant, se consacre à la création de technologies basées sur le spin pour le transfert de données, stockage et calcul des données, y compris des types de puces fondamentalement nouveaux pour les ordinateurs quantiques.

Pour ceux qui étudient de nouveaux matériaux magnétiques, comme YbRh 3 Si 7 , une façon de sonder l'ordre magnétique est d'amener les moments à pointer dans une autre direction en réponse à un champ magnétique externe. En mesurant la quantité d'énergie de champ nécessaire pour changer la direction que les moments magnétiques pointent, les physiciens peuvent en apprendre beaucoup sur le rôle que joue le réseau cristallin dans la façon dont les moments magnétiques s'expriment.

Dans la plupart des matériaux, les moments magnétiques des atomes tournent progressivement vers la direction du champ extérieur à mesure que l'intensité augmente. Dans les méta-aimants, les forces du champ cristallin exercent une telle traction que les moments restent verrouillés en place, même si un champ externe est appliqué. Mais lorsque l'énergie du champ atteint un niveau critique, les moments s'enclenchent tous instantanément dans un nouvel arrangement qui est plus étroitement aligné sur le terrain. Si l'intensité du champ est suffisamment augmentée, les moments peuvent être faits pour s'aligner avec le champ, mais "seulement à travers cette progression de changements progressifs qui rappellent l'escalier du diable, ", a déclaré Morosa.

La découverte des transitions métamagnétiques a été le premier indice que quelque chose d'étrange était à l'œuvre dans la structure cristallographique de YbRh 3 Si 7 .

"Il existe très peu d'exemples de métamagnétisme dans les composés à base d'ytterbium, " a déclaré le co-auteur de l'étude Macy Stavinoha, un étudiant diplômé du groupe de Morosan. "Cette transition nous a permis d'examiner la structure magnétique sous-jacente, ce qui était assez compliqué. Nous avons dû utiliser une multitude de techniques pour confirmer ce qui était impliqué. »

L'odyssée expérimentale de huit ans pour déchiffrer l'ordre magnétique du matériau a été dirigée par un ancien docteur en doctorat. étudiant et co-auteur Binod Rai et inclus des voyages au laboratoire national d'Oak Ridge du Tennessee, Institut national des normes et de la technologie du Maryland, le laboratoire Rutherford Appleton du Royaume-Uni, Laboratoire national de champ magnétique élevé de Floride et Laboratoire national de Los Alamos du Nouveau-Mexique.

Morosan a déclaré que les expériences avaient aidé son équipe à déchiffrer la concurrence déroutante des forces - structurelles, électronique et magnétique - en jeu en YbRh 3 Si 7 .

"Il n'y avait rien de simple, dans le sens où tu pourrais t'asseoir, regarder les données d'une expérience et dire immédiatement ce qui se passait, " elle a dit.

Par exemple, des expériences ont montré que les transitions métamagnétiques dans YbRh 3 Si 7 se produisent à des champs inférieurs lorsque le champ magnétique est appliqué perpendiculairement à la direction du moment de champ nul. Cela contraste avec les transitions métamagnétiques dans presque tous les autres composés à base d'ytterbium, qui se produisent lorsque le champ appliqué est parallèle à la direction du moment. Morosan a déclaré que cela indique un équilibre délicat entre les différentes échelles d'énergie dans YbRh 3 Si 7 .

Un autre exemple d'échelles d'énergie concurrentes dans le matériau peut être observé dans l'interaction améliorée entre les moments magnétiques et les électrons de conduction. Cette interaction, connu sous le nom de "projection Kondo, " survient lorsque des électrons porteurs - les particules qui circulent dans le courant électrique - interagissent avec des électrons alignés magnétiquement dans les atomes d'ytterbium. Stavinoha a dit que c'était déroutant parce que YbRh 3 Si 7 a une densité d'électrons porteurs plus faible que la plupart des matériaux Kondo connus.

"Vous trouvez rarement plusieurs systèmes Kondo dans une même famille de composés isostructuraux, " a déclaré Stavinoha. "Dans la famille 1-3-7, nous avons découvert trois de ces systèmes Kondo avec des propriétés magnétiques et électroniques distinctes. Cette combinaison de similitude structurelle et de dissemblance des propriétés physiques présente une grande opportunité pour des études comparatives."