Vue d'artiste de la dissolution du « embouteillage » électronique. Les atomes rouges sont différents dans leur nature quantique et permettent le transport d'électrons dans leur environnement. Crédit :SBQMI
La plupart des appareils électroniques modernes reposent sur de minuscules, des courants électriques finement réglés pour traiter et stocker des informations. Ces courants dictent la vitesse à laquelle nos ordinateurs fonctionnent, à quelle fréquence nos stimulateurs cardiaques fonctionnent et à quel point notre argent est stocké en toute sécurité dans la banque.
Dans une étude publiée dans Physique de la nature , des chercheurs de l'Université de la Colombie-Britannique ont démontré une toute nouvelle façon de contrôler avec précision de tels courants électriques en tirant parti de l'interaction entre le spin d'un électron (qui est le champ magnétique quantique qu'il transporte intrinsèquement) et sa rotation orbitale autour du noyau.
« Nous avons trouvé une nouvelle façon d'activer ou de désactiver la conduction électrique dans les matériaux, " a déclaré l'auteur principal Berend Zwartsenberg, un doctorat étudiant au Stewart Blusson Quantum Matter Institute (SBQMI) de l'UBC. "Non seulement ce résultat passionnant élargit notre compréhension du fonctionnement de la conduction électrique, cela nous aidera à explorer davantage les propriétés connues telles que la conductivité, magnétisme et supraconductivité, et en découvrir de nouvelles qui pourraient être importantes pour l'informatique quantique, stockage de données et applications énergétiques.
Basculer l'interrupteur sur les transitions métal-isolant
Largement, tous les matériaux peuvent être classés en métaux ou en isolants, en fonction de la capacité des électrons à se déplacer à travers le matériau et à conduire l'électricité.
Mesure d'un matériau où la modification du couplage spin-orbite a été utilisée pour le rendre électroniquement conducteur. Les couleurs sombres représentent les électrons libres de se déplacer dans le matériau, et sont un indicateur du comportement conducteur. Crédit :Berend Zwartsenberg/SBQMI
Cependant, tous les isolateurs ne sont pas créés de la même manière. Dans des matériaux simples, la différence entre comportement métallique et isolant provient du nombre d'électrons présents :un nombre impair pour les métaux, et un nombre pair pour les isolants. Dans des matériaux plus complexes, comme les isolants dits Mott, les électrons interagissent entre eux de différentes manières, avec un équilibre délicat déterminant leur conduction électrique.
Dans un isolateur Mott, la répulsion électrostatique empêche les électrons de s'approcher trop près les uns des autres, ce qui crée un embouteillage et limite la libre circulation des électrons. Jusqu'à maintenant, il y avait deux manières connues de débloquer les embouteillages :en réduisant la force de l'interaction répulsive entre les électrons, ou en changeant le nombre d'électrons.
L'équipe du SBQMI a exploré une troisième possibilité :y avait-il un moyen de modifier la nature même quantique du matériau pour permettre une transition métal-isolant ?
En utilisant une technique appelée spectroscopie de photoémission à résolution angulaire, l'équipe a examiné l'isolant Mott Sr2IrO4, suivi du nombre d'électrons, leur répulsion électrostatique, et enfin l'interaction entre le spin de l'électron et sa rotation orbitale.
"Nous avons découvert que le couplage du spin au moment angulaire orbital ralentit les électrons à un point tel qu'ils deviennent sensibles à la présence de l'autre, solidifiant l'embouteillage. " a déclaré Zwartsenberg. " La réduction du couplage spin-orbite atténue à son tour les embouteillages et nous avons pu démontrer une transition d'un isolant à un métal pour la première fois en utilisant cette stratégie. "
"C'est un résultat vraiment excitant au niveau de la physique fondamentale, et étend le potentiel de l'électronique moderne, " a déclaré le co-auteur Andrea Damascelli, chercheur principal et directeur scientifique de la SBQMI. "Si nous pouvons développer une compréhension microscopique de ces phases de la matière quantique et de leurs phénomènes électroniques émergents, nous pouvons les exploiter en concevant des matériaux quantiques atome par atome pour une nouvelle électronique, applications magnétiques et de détection."
