Les domaines de la physique de la matière condensée et de la science des matériaux sont intimement liés car une nouvelle physique est souvent découverte dans des matériaux avec des arrangements particuliers d'atomes. Cristaux, qui ont des unités répétitives d'atomes dans l'espace, peuvent avoir des motifs spéciaux qui se traduisent par des propriétés physiques exotiques. Les matériaux qui hébergent plusieurs types de propriétés exotiques sont particulièrement intéressants, car ils donnent aux scientifiques la possibilité d'étudier comment ces propriétés interagissent et s'influencent mutuellement. Les combinaisons peuvent donner lieu à des phénomènes inattendus et alimenter des années de recherche fondamentale et technologique.

Dans une nouvelle étude publiée dans Avancées scientifiques cette semaine, une équipe internationale de scientifiques des États-Unis, Colombie, République Tchèque, Angleterre, et dirigé par le Dr Mazhar N. Ali à l'Institut Max Planck de physique des microstructures en Allemagne, a montré qu'un nouveau matériau, KV 3 Sb 5 , possède une combinaison de propriétés inédites qui se traduit par l'un des plus grands effets Hall anormaux (AHE) jamais observés ; 15, 500 siemens par centimètre à 2 Kelvin.

Découvert dans le laboratoire du co-auteur, le professeur Tyrel McQueen de l'Université Johns Hopkins, KV 3 Sb 5 combine quatre propriétés en un seul matériau :la physique de Dirac, magnétisme métallique frustré, Exfoliabilité 2-D (comme le graphène), et stabilité chimique.

Physique de Dirac, dans ce contexte, concerne le fait que les électrons en KV 3 Sb 5 ne sont pas seulement vos électrons ordinaires ; ils se déplacent extrêmement rapidement avec une masse effective très faible. Cela signifie qu'ils agissent « comme de la lumière »; leurs vitesses deviennent comparables à la vitesse de la lumière et ils se comportent comme s'ils n'avaient qu'une petite fraction de la masse qu'ils devraient avoir. Il en résulte que le matériau est hautement métallique et a été montré pour la première fois dans le graphène il y a environ 15 ans.

Le « magnétisme frustré » survient lorsque les moments magnétiques dans un matériau (imaginez de petits aimants en forme de barre qui essaient de se tourner et de s'aligner du nord au sud lorsque vous les réunissez) sont disposés dans des géométries spéciales, comme des filets triangulaires. Ce scénario peut rendre difficile l'alignement des barreaux magnétiques de manière à ce qu'ils s'annulent tous et soient stables. Les matériaux présentant cette propriété sont rares, surtout métalliques. La plupart des matériaux magnétiques frustrés sont des isolants électriques, ce qui signifie que leurs électrons sont immobiles. "Les aimants métalliques frustrés sont très recherchés depuis plusieurs décennies. Il est prévu qu'ils abritent une supraconductivité non conventionnelle, Fermions de Majorane, être utile pour l'informatique quantique, et plus, " a commenté le Dr Ali.

Structurellement, KV 3 Sb 5 a un 2-D, structure en couches où les couches triangulaires de vanadium et d'antimoine s'empilent lâchement sur les couches de potassium. Cela a permis aux auteurs d'utiliser simplement du ruban adhésif pour décoller quelques couches (alias flocons) à la fois. "C'était très important car cela nous a permis d'utiliser la lithographie par faisceau d'électrons (comme la photo-lithographie qui est utilisée pour fabriquer des puces informatiques, mais en utilisant des électrons plutôt que des photons) pour fabriquer de minuscules appareils à partir des flocons et mesurer des propriétés que les gens ne peuvent pas facilement mesurer en vrac. " a fait remarquer l'auteur principal Shuo-Ying Yang, de l'Institut Max Planck de physique des microstructures. « Nous étions ravis de constater que les flocons étaient assez stables pour le processus de fabrication, ce qui le rend relativement facile à utiliser et à explorer de nombreuses propriétés".

Armé de cette combinaison de propriétés, l'équipe a d'abord choisi de rechercher un effet Hall anormal (AHE) dans le matériau. Ce phénomène est où les électrons dans un matériau avec un champ électrique appliqué (mais pas de champ magnétique) peuvent être déviés de 90 degrés par divers mécanismes. "Il avait été théorisé que les métaux avec des arrangements de spin triangulaires pourraient héberger un effet extrinsèque significatif, c'était donc un bon point de départ, " a noté Yang. En utilisant la spectroscopie photoélectronique à résolution angulaire, fabrication de micro-dispositifs, et un système de mesure de propriétés électroniques à basse température, Shuo-Ying et l'auteur principal Yaojia Wang (Institut Max Planck de physique des microstructures) ont pu observer l'un des plus grands AHE jamais vus.

L'AHE peut être divisé en deux catégories générales :intrinsèque et extrinsèque. "Le mécanisme intrinsèque est comme si un joueur de football faisait une passe à son coéquipier en pliant le ballon, ou électron, autour de certains défenseurs (sans que cela les heurte), " a expliqué Ali. " L'extrinsèque est comme le ballon qui rebondit sur un défenseur, ou centre de diffusion magnétique, et aller sur le côté après la collision. De nombreux matériaux dominés de manière extrinsèque ont un arrangement aléatoire de défenseurs sur le terrain, ou des centres de diffusion magnétique dilués au hasard dans tout le cristal. KV 3 Sb 5 a la particularité de posséder des groupes de 3 centres de diffusion magnétique disposés en un réseau triangulaire. Dans ce scénario, le ballon se disperse hors du groupe de défenseurs, plutôt qu'un seul, et est plus susceptible d'aller sur le côté que si un seul était sur le chemin."

Il s'agit essentiellement du mécanisme théorisé de diffusion de l'asymétrie de spin-cluster AHE qui a été démontré par les auteurs dans ce document. "Cependant, la condition avec laquelle la balle entrante frappe le cluster semble avoir de l'importance ; vous ou moi bottons la balle n'est pas la même que si, dire, Christiano Ronaldo a botté le ballon, " a ajouté Ali. "Quand Ronaldo le frappe, il se déplace beaucoup plus rapidement et rebondit sur le cluster avec beaucoup plus de vitesse, se déplaçant sur le côté plus rapidement que si n'importe quelle personne moyenne l'avait frappé. C'est, en gros, la différence entre les quasiparticules de Dirac (Ronaldo) dans ce matériau et les électrons normaux (personne moyenne) et est liée à la raison pour laquelle nous voyons un AHE si grand, " expliqua Ali en riant.

Ces résultats peuvent également aider les scientifiques à identifier d'autres matériaux avec cette combinaison d'ingrédients. " Surtout, la même physique régissant cet AHE pourrait également entraîner un très grand effet Hall de spin (SHE) - où au lieu de générer un courant de charge orthogonal, un courant de spin orthogonal est généré, " a fait remarquer Wang. " Ceci est important pour les technologies informatiques de prochaine génération basées sur le spin d'un électron plutôt que sur sa charge ".

"C'est un nouveau matériau de terrain de jeu pour nous :la physique métallique de Dirac, magnétisme frustré, exfoliable, et chimiquement stable tout en un. Il y a beaucoup d'occasions d'explorer le plaisir, phénomènes étranges, comme la supraconductivité non conventionnelle et plus, " dit Ali, avec enthousiasme.