Un phénomène physique exotique connu sous le nom d'anomalie de Kohn a été découvert pour la première fois dans un type de matériau inattendu par des chercheurs du MIT et d'ailleurs. Ils disent que la découverte pourrait fournir de nouvelles informations sur certains processus fondamentaux qui aident à déterminer pourquoi les métaux et autres matériaux présentent les propriétés électroniques complexes qui sous-tendent une grande partie de la technologie d'aujourd'hui.

La façon dont les électrons interagissent avec les phonons, qui sont essentiellement des vibrations traversant un matériau cristallin, détermine les processus physiques qui se déroulent à l'intérieur de nombreux appareils électroniques. Ces interactions affectent la façon dont les métaux résistent au courant électrique, la température à laquelle certains matériaux deviennent soudainement supraconducteurs, et les exigences de très basse température pour les ordinateurs quantiques, parmi de nombreux autres processus.

Mais les interactions électron-phonon ont été difficiles à étudier en détail car elles sont généralement très faibles. La nouvelle étude a trouvé un nouveau, type d'interaction électron-phonon inhabituelle plus forte :les chercheurs ont induit une anomalie de Kohn, que l'on croyait auparavant n'exister que dans les métaux, dans un matériau exotique appelé semi-métal topologique de Weyl. La découverte pourrait aider à faire la lumière sur des aspects importants de l'interaction complexe entre les électrons et les phonons, ils disent.

La nouvelle découverte, sur la base à la fois de prédictions théoriques et d'observations expérimentales, est décrit cette semaine dans le journal Lettres d'examen physique , dans un article des étudiants diplômés du MIT Thanh Nguyen et Nina Andrejevic, postdoctoral Ricardo Pablo-Pedro, Chercheur scientifique Fei Han, Professeur Mingda Li, et 14 autres au MIT et plusieurs autres universités et laboratoires nationaux.

Anomalies de Kohn, découvert pour la première fois dans les années 1950 par le physicien Walter Kohn, refléter un changement soudain, parfois décrit comme une sorte de pli ou de tortillement, dans le graphique décrivant un paramètre physique appelé fonction de réponse électronique. Cette discontinuité dans une courbe par ailleurs lisse reflète un changement soudain de la capacité des électrons à protéger les phonons. Cela peut donner lieu à des instabilités dans la propagation des électrons à travers le matériau, et peut conduire à de nombreuses nouvelles propriétés électroniques.

Ces anomalies ont déjà été observées dans certains métaux et dans d'autres matériaux hautement conducteurs comme le graphène, mais n'avait jamais été vu ou prédit auparavant dans un "matériau topologique, " dont les comportements électriques sont robustes aux perturbations. Dans ce cas, une sorte de matériau topologique appelé semi-métal de Weyl, spécifiquement le phosphure de tantale, s'est avéré capable de présenter cette anomalie inhabituelle. Contrairement aux métaux conventionnels, où une propriété appelée la surface de Fermi entraîne la formation de l'anomalie de Kohn, dans ce matériau, les points de Weyl servent de force motrice.

Parce que les couplages électron-phonon ont lieu pratiquement partout tout le temps, ils peuvent être une source majeure de perturbation dans les systèmes physiques délicats tels que ceux utilisés pour représenter les données dans les ordinateurs quantiques. Mesurer la force de ces interactions, ce qui est essentiel pour savoir comment protéger ces technologies quantiques, a été très difficile, mais cette nouvelle découverte, Li dit, fournit un moyen de faire de telles mesures. "L'anomalie de Kohn peut être utilisée pour quantifier la force du couplage électron-phonon, " il dit.

Pour mesurer les interactions, l'équipe a utilisé des sondes avancées de diffusion de neutrons et de rayons X dans trois laboratoires nationaux :le Laboratoire national d'Argonne, Laboratoire national d'Oak Ridge, et l'Institut national des normes et de la technologie - pour sonder le comportement du matériau de phosphure de tantale. "Nous avons prédit qu'il y a une anomalie de Kohn dans le matériau uniquement basée sur la théorie pure, " Li explique, À l'aide de leurs calculs, "on pourrait guider les expériences jusqu'au point où l'on veut rechercher le phénomène, et nous voyons un très bon accord entre la théorie et les expériences."

Martin Greven, un professeur de physique à l'Université du Minnesota qui n'était pas impliqué dans cette recherche, dit que ce travail « a une largeur et une profondeur impressionnantes, couvrant à la fois la théorie sophistiquée et les expériences de diffusion. Il innove en physique de la matière condensée, en ce qu'il établit un nouveau type d'anomalie de Kohn."

Une meilleure compréhension des couplages électron-phonon pourrait ouvrir la voie au développement de matériaux tels que de meilleurs supraconducteurs à haute température ou des ordinateurs quantiques tolérants aux pannes, disent les chercheurs. Ce nouvel outil pourrait être utilisé pour sonder les propriétés des matériaux à la recherche de celles qui restent relativement peu affectées à des températures plus élevées.

Brent Fultz, professeur de science des matériaux et de physique appliquée à Caltech, qui n'était pas non plus impliqué dans ce travail, ajoute que « peut-être ces effets aideront-ils au développement de matériaux dotés de nouvelles propriétés thermiques ou électroniques, mais comme ils sont si nouveaux, nous avons besoin de temps pour réfléchir à ce qu'ils peuvent faire."

Nguyen, l'auteur principal de l'article, dit qu'il pense que ce travail aide à démontrer l'importance parfois négligée des phonons dans le comportement des matériaux topologiques. Des matériaux comme ceux-ci, dont les propriétés électriques de surface sont différentes de celles du matériau en vrac, sont un domaine chaud de la recherche actuelle. "Je pense que cela pourrait nous amener à mieux comprendre les processus qui sous-tendraient certains de ces matériaux qui sont très prometteurs pour l'avenir, " dit Andrejevic, qui, avec Han, était co-auteur principal de l'article.

"Bien que l'interaction électron-phonon soit connue depuis longtemps, la prédiction expérimentale et l'observation de ces interactions sont extrêmement rares, " dit le professeur de physique et d'astronomie Pengcheng Dai à l'Université Rice, qui n'était pas non plus impliqué dans ce travail. Ces résultats, il dit, « fournissent une excellente démonstration de la puissance de la théorie et des expériences combinées comme moyen d'étendre notre compréhension de ces matériaux exotiques. »

Cette histoire est republiée avec l'aimable autorisation de MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), un site populaire qui couvre l'actualité de la recherche du MIT, innovation et enseignement.