Vue d'ensemble de l'ordre de charge, empilement inter-couches et surfaces clivées en 1T-TaS2. a La structure non déformée quasi-2D de 1T-TaS2. b La supercellule décrivant la distorsion SD périodique au sein d'une seule couche 1T-TaS 2. Les losanges bleu sarcelle et bleu marquent les projections 2D de la cellule unitaire atomique non déformée, et la supercellule après le début du CDW proportionné, respectivement. Les étiquettes A, B, et C désignent les sites possibles au sommet desquels les clusters SD successifs peuvent s'empiler. c Le modèle d'empilement SD actuellement discuté (S non représenté), avec deux SD par cellule et deux plans de clivage distincts, 1 et 2. d Topographie STM typique prise à une surface 1T-TaS 2 clivée sous vide (V =250 mV, Iset =500 pA, barre d'échelle 20 nm). L'encart montre la correspondance entre la modulation topographique et le réseau d'amas SD (barre d'échelle 1 nm). e Exemples de spectres de conductance des deux types observés sur plusieurs surfaces clivées. Typiquement, un type de spectre ou l'autre apparaît uniformément (sauf au voisinage des défauts) sur env. zones de 1 µm, à moins qu'une morphologie de terrasse en escalier ne soit observée. On montrera ci-dessous que les spectres de type 1 et 2 correspondent à des surfaces formées par clivage aux plans 1 et 2 respectivement. Crédit :RIKEN
Le disulfure de tantale est un matériau mystérieux. Selon la théorie des manuels, ce doit être un métal conducteur, mais dans le monde réel, il agit comme un isolant. A l'aide d'un microscope à effet tunnel, des chercheurs du RIKEN Center for Emergent Matter Science ont examiné en haute résolution la structure du matériau, révélant pourquoi il démontre ce comportement peu intuitif.
On sait depuis longtemps que les matériaux cristallins doivent être de bons conducteurs lorsqu'ils ont un nombre impair d'électrons dans chaque cellule répétitive de la structure, mais peuvent être de mauvais conducteurs lorsque le nombre est pair. Cependant, parfois cette formule ne fonctionne pas, avec un cas étant "Mottness, " une propriété basée sur les travaux de Sir Nevill Mott. Selon cette théorie, lorsqu'il y a une forte répulsion entre les électrons de la structure, il conduit les électrons à devenir "localisés" - paralysés, en d'autres termes, et incapable de se déplacer librement pour créer un courant électrique. Ce qui complique la situation, c'est qu'il y a aussi des situations où des électrons dans différentes couches d'une structure 3-D peuvent interagir, s'apparier pour créer une structure bicouche avec un nombre pair d'électrons. Il a été suggéré précédemment que cet « appariement » d'électrons rétablirait la compréhension des manuels de l'isolant, rendant inutile d'invoquer "Mottness" comme explication.
Pour l'étude en cours, Publié dans Communication Nature , le groupe de recherche a décidé de se pencher sur le disulfure de tantale, un matériau avec 13 électrons dans chaque structure répétitive, ce qui devrait donc en faire un conducteur. Cependant, ce n'est pas, et il y a eu une controverse quant à savoir si cette propriété est causée par sa "Mottness" ou par une structure d'appariement.
Pour effectuer la recherche, les chercheurs ont créé des cristaux de disulfure de tantale puis ont clivé les cristaux sous vide pour révéler des surfaces ultra-propres, qu'ils ont ensuite examinés à une température proche du zéro absolu avec une méthode connue sous le nom de microscopie à effet tunnel, impliquant une pointe métallique minuscule et extrêmement sensible qui peut détecter où se trouvent les électrons dans un matériau et leur degré de comportement conducteur via l'effet tunnel quantique. Leurs résultats ont montré qu'il y avait, En effet, un empilement de couches qui les a effectivement arrangées en paires. Parfois, les cristaux clivés entre les paires de couches, et parfois à travers une paire, le casser. Ils ont effectué une spectroscopie sur les couches appariées et non appariées et ont constaté que même les couches non appariées sont isolantes, laissant Mottness comme seule explication.
Selon Christopher Butler, le premier auteur de l'étude, "La nature exacte de l'état isolant et des transitions de phase dans le disulfure de tantale sont des mystères de longue date, et c'était très excitant de découvrir que Mottness est un acteur clé, mis à part l'appariement des couches. En effet, les théoriciens soupçonnent qu'un état de Mott pourrait préparer le terrain pour une phase intéressante de la matière connue sous le nom de liquide de spin quantique. »
Tetsuo Hanaguri, qui a dirigé l'équipe de recherche, mentionné, "La question de savoir ce qui fait passer ce matériau entre les phases isolantes et conductrices a longtemps été une énigme pour les physiciens, et je suis très satisfait que nous ayons pu mettre une nouvelle pièce dans le puzzle. Les travaux futurs peuvent nous aider à trouver de nouveaux phénomènes intéressants et utiles émergeant de Mottness, comme la supraconductivité à haute température."
