Les chercheurs ont exploré un matériau qui a une structure interne, montré en 3D dans le panneau de gauche, qui se compose de triangles et d'hexagones disposés selon un motif similaire à celui d'un panier kagome japonais. Crédit :Hassan, et. Al, université de Princeton
Tirant leur nom d'un motif de panier japonais complexe, On pense que les aimants kagome ont des propriétés électroniques qui pourraient être précieuses pour les futurs dispositifs et applications quantiques. Les théories prédisent que certains électrons dans ces matériaux ont des propriétés exotiques, les comportements dits topologiques et d'autres se comportent un peu comme le graphène, un autre matériau prisé pour son potentiel pour de nouveaux types d'électronique.
Maintenant, une équipe internationale dirigée par des chercheurs de l'Université de Princeton a observé que certains des électrons de ces aimants se comportent collectivement, comme un électron presque infiniment massif qui est étrangement magnétique, plutôt que comme des particules individuelles. L'étude a été publiée dans la revue Physique de la nature cette semaine.
L'équipe a également montré que le fait de placer l'aimant kagome dans un champ magnétique élevé inversait la direction du magnétisme. Ce "magnétisme négatif" s'apparente à avoir une boussole qui pointe vers le sud au lieu du nord, ou un aimant de réfrigérateur qui refuse soudainement de coller.
"Nous recherchons des électrons super-massifs "à bande plate" qui peuvent encore conduire l'électricité pendant longtemps, et enfin nous les avons trouvés, " dit M. Zahid Hassan, le professeur Eugene Higgins de physique à l'Université de Princeton, qui dirigeait l'équipe. « Dans ce système, nous avons également constaté qu'en raison d'un effet de phase quantique interne, certains électrons s'alignent à l'opposé du champ magnétique, produisant un magnétisme négatif."
L'équipe a exploré comment les atomes disposés en kagome dans un cristal donnent naissance à d'étranges propriétés électroniques qui peuvent avoir des avantages dans le monde réel, comme la supraconductivité, qui permet à l'électricité de circuler sans perte sous forme de chaleur, ou le magnétisme qui peut être contrôlé au niveau quantique pour une utilisation dans l'électronique future.
Les chercheurs ont utilisé la microscopie et la spectroscopie à effet tunnel à la pointe de la technologie (STM/S) pour examiner le comportement des électrons dans un cristal à motif kagome fabriqué à partir de cobalt et d'étain, pris en sandwich entre deux couches d'atomes de soufre, qui sont en outre pris en sandwich entre deux couches d'étain.
Dans la couche kagome, les atomes de cobalt forment des triangles autour d'un hexagone avec un atome d'étain au centre. Cette géométrie force les électrons dans des positions inconfortables, ce qui conduit ce type de matériau à être appelé « aimant frustré ».
Pour explorer le comportement des électrons dans cette structure, les chercheurs ont entaillé les couches supérieures pour révéler la couche de kagome en dessous.
Ils ont ensuite utilisé la technique STM/S pour détecter le profil énergétique de chaque électron, ou structure de bande. La structure de bande décrit la gamme d'énergies qu'un électron peut avoir dans un cristal, et explique, par exemple, pourquoi certains matériaux conduisent l'électricité et d'autres sont des isolants. Les chercheurs ont découvert que certains des électrons de la couche kagome ont une structure de bande qui, plutôt que d'être courbé comme dans la plupart des matériaux, est plat.
Bien que l'on s'attende à ce que les électrons d'un aimant pointant vers le nord se déplacent vers le haut lorsqu'ils sont soumis à un champ magnétique appliqué pointant vers le haut, les électrons kagome se déplacent réellement vers le bas (panneau de gauche). L'application d'un champ magnétique décale les niveaux d'énergie des électrons (panneau du milieu). Les déplacements d'énergie des électrons de kagome montrent un grand moment magnétique négatif (à droite, Haut). Les arrangements orbitaux des électrons de kagome donnent lieu à un facteur de phase quantique géométrique (à droite, Haut), connue sous le nom de phase Berry, ce qui crée un état magnétique inhabituel. Crédit :Hassan, et al., université de Princeton
Une structure à bande plate indique que les électrons ont une masse effective si grande qu'elle est presque infinie. Dans un tel état, les particules agissent collectivement plutôt que comme des particules individuelles.
Les théories prédisent depuis longtemps que le motif kagome créerait une structure de bande plate, mais cette étude est la première détection expérimentale d'un électron à bande plate dans un tel système.
L'une des prédictions générales qui suit est qu'un matériau avec une bande plate peut présenter un magnétisme négatif.
En effet, dans l'étude en cours, lorsque les chercheurs ont appliqué un champ magnétique puissant, certains des électrons de l'aimant kagome pointaient dans la direction opposée.
"Que le champ ait été appliqué vers le haut ou vers le bas, l'énergie des électrons a basculé dans la même direction, c'était la première chose qui était étrange en termes d'expériences, " a déclaré Songtian Sonia Zhang, un étudiant diplômé en physique et l'un des trois co-premiers auteurs de l'article.
"Cela nous a intrigués pendant environ trois mois, " dit Jia-Xin Yin, un associé de recherche postdoctoral et un autre co-premier auteur de l'étude. "Nous cherchions la raison, et avec nos collaborateurs, nous avons réalisé qu'il s'agissait de la première preuve expérimentale que ce pic de bande plate dans le réseau kagome a un moment magnétique négatif."
Les chercheurs ont découvert que le magnétisme négatif survient en raison de la relation entre la bande plate kagome, un phénomène quantique appelé couplage spin-orbite, le magnétisme et un facteur quantique appelé champ de courbure de Berry. Le couplage spin-orbite fait référence à une situation dans laquelle le spin d'un électron, qui est elle-même une propriété quantique des électrons, devient liée à la rotation orbitale de l'électron. La combinaison du couplage spin-orbital et de la nature magnétique du matériau conduit tous les électrons à se comporter en pas de verrouillage, comme une seule particule géante.
Un autre comportement intrigant qui découle des interactions spin-orbite étroitement couplées est l'émergence de comportements topologiques. Le sujet du prix Nobel de physique 2016, les matériaux topologiques peuvent avoir des électrons qui circulent sans résistance sur leurs surfaces et sont un domaine de recherche actif. Le matériau cobalt-étain-soufre est un exemple de système topologique.
Les réseaux à motifs bidimensionnels peuvent avoir d'autres types souhaitables de conductance électronique. Par exemple, Le graphène est un motif d'atomes de carbone qui a suscité un intérêt considérable pour ses applications électroniques au cours des deux dernières décennies. La structure de bande du réseau kagome donne naissance à des électrons qui se comportent de manière similaire à ceux du graphène.
L'étude, "Magnétisme à bande plate négative dans un aimant kagome corrélé couplé spin-orbite, " par Jia-Xin Yin, Songtian S. Zhang, Guoqing Chang, Qi Wang, Stepan S. Tsirkin, Zurab Guguchia, Biao Lian, Huibin Zhou, Kun Jiang, Ilya Belopolski, Nana Shumiya, Daniel Multer, Maksim Litskevitch, Tyler A. Cochran, Hsin Lin, Ziqiang Wang, Titus Neupert, Shuang Jia, Hechang Lei et M. Zahid Hasan, a été publié en ligne le 18 février 2019 dans la revue Physique de la nature .
