Les propriétés des matériaux complexes sont souvent déterminées par l'interaction de plusieurs propriétés électroniques. TU Wien (Vienne) a maintenant réussi à démêler ce gâchis.

Ce n'est qu'à des températures extrêmement basses que l'ordre règne. A l'Université de Technologie de Vienne, les matériaux sont refroidis à presque zéro absolu, de sorte que les électrons, qui autrement occupent des états différents de manière assez aléatoire, montrer certaines régularités. Mais même le comportement de ces électrons extrêmement froids est difficile à comprendre, d'une part parce que les électrons s'influencent fortement les uns les autres et ne peuvent être décrits séparément, et d'autre part parce que différentes caractéristiques électroniques jouent un rôle en même temps. Cependant, la compréhension est maintenant facilitée par des expériences à la TU de Vienne :il était possible d'influencer différentes caractéristiques des électrons séparément les unes des autres. Des phénomènes quantiques étroitement imbriqués peuvent ainsi être appréhendés individuellement. Les résultats sont maintenant publiés dans la revue PNAS .

Pièces d'échecs et électrons

Imaginez que nous avons un gros sac de pièces d'échecs que vous placez sur un échiquier l'une après l'autre jusqu'à ce qu'il soit plein. Il existe différentes manières de créer des motifs ordonnés :par exemple, vous pouvez toujours placer alternativement une pièce blanche et une pièce noire. Vous pouvez également ignorer les couleurs et placer alternativement un chevalier et une tour, ou imaginez des modèles de commande plus compliqués qui combinent la couleur et le type de figure.

C'est pareil avec les électrons dans un solide :comme dans un échiquier, il y a des endroits régulièrement aménagés où les électrons peuvent s'asseoir. Et comme des pièces d'échecs, les électrons ont des propriétés différentes qui peuvent être utilisées pour créer de l'ordre.

"La propriété la plus simple des électrons est leur charge - elle est responsable du flux de courant électrique. Cependant, la charge est la même pour tous les électrons, " explique le professeur Silke Bühler-Paschen de l'Institut de physique des solides de la TU de Vienne. " Les choses deviennent plus intéressantes si l'on considère également le spin des électrons. Pour le tour, il y a toujours deux possibilités différentes. Ses propriétés magnétiques sont déterminées par la disposition régulière des spins des électrons dans un corps solide."

Où se trouve l'électron ? Le degré de liberté orbital

Cependant, pour les électrons localisés, il existe une autre propriété, un autre degré de liberté, qui joue un rôle important :Le degré de liberté orbital. Si un électron est lié à un certain atome, différents agencements spatiaux sont possibles. La physique quantique permet différentes relations géométriques entre l'électron et l'atome - et cela permet également des structures ordonnées dans le solide, par exemple lorsque de nombreux atomes identiques sont disposés dans un cristal, et chacun a un électron qui est dans le même état orbital.

"Nous avons étudié un matériau en palladium, silicium et cérium, " précise Silke Bühler-Paschen. " Nous nous concentrons sur les électrons situés au niveau de l'atome de cérium et sur les électrons de conduction, qui peut se déplacer librement à travers le cristal." Avec l'aide d'électrons de conduction, il est possible d'influencer l'ordre des électrons au niveau de l'atome de cérium, à la fois leur degré de liberté de spin et leur degré de liberté orbital. "Cela se fait par blindage, " explique Bühler-Paschen. " Les électrons de conduction peuvent masquer virtuellement à la fois le spin et l'état orbital des électrons fixes, ce qu'on appelle l'effet Kondo. Cela signifie que l'ordre n'est plus possible. l'ordre de ces deux degrés de liberté peut être activé et désactivé séparément à très basse température, à l'aide de minuscules changements de champ magnétique.

"Le fait que l'ordre dans les systèmes quantiques s'effondre ou réapparaisse dans certaines situations n'est pas nouveau, ", explique Silke Bühler-Paschen. "Mais nous avons ici un système dans lequel l'ordre peut être activé et désactivé individuellement en fonction de deux degrés de liberté différents qui sont étroitement liés à des températures élevées - et c'est assez remarquable."

Cette possibilité pourrait aujourd'hui permettre de découvrir des propriétés particulièrement intéressantes de matériaux complexes. "Il y a des raisons de supposer que le degré de liberté orbital joue également un rôle important dans le phénomène de supraconductivité non conventionnelle, " déclare Silke Bühler-Paschen. "Nous avons maintenant un nouvel instrument à notre disposition pour mieux comprendre ces effets technologiquement importants."