Une étude menée par l'Australie utilise un "truc" de microscope à effet tunnel pour cartographier la structure électronique dans Na 3 Bi, cherchant une réponse à la mobilité électronique extrêmement élevée de ce matériau.

En étudiant le semi-métal topologique de Dirac, l'équipe a découvert que les effets d'échange et de corrélation sont cruciaux pour la vitesse des électrons, et donc la mobilité, et donc à l'utilisation de cette classe passionnante de matériaux dans l'électronique future à ultra basse énergie.

À ce jour, on sait peu de choses sur la dispersion des bandes de Na 3 Bi dans la bande de conduction (au-dessus du niveau de Fermi), bien qu'il y ait eu des indices alléchants que la vitesse réelle des électrons est beaucoup plus grande que les prédictions théoriques.

"Nous avons fait pousser des couches minces de Na 3 Bi et étudié leur structure de bande via l'interférence de quasi-particules, ", déclare l'auteur principal, le Dr Iolanda di Bernardo.

"Nos calculs ont révélé que pour comprendre les vitesses expérimentales extrêmement élevées des porteurs de charge, en particulier dans la bande de conduction, les effets d'échange et de corrélation sont cruciaux.

Trucs et surprises astucieux

Les semi-métaux topologiques de Dirac peuvent être considérés comme les homologues 3D du graphène :autour du niveau de Fermi (où les électrons de conduction se trouvent "généralement"), ils présentent la même dispersion de bande linéaire que le graphène, ce qui signifie que leurs électrons sont pratiquement sans masse.

Cette, naturellement, se traduit par une conductivité extrêmement élevée, et dans ce cas, se produit dans les trois directions de l'espace.

Cette dispersion de bande linéaire a été prédite pour Na 3 Bi, mais une cartographie appropriée de la bande de conduction pour ce matériau manquait toujours.

La mesure de la structure de bande des matériaux au-dessus du niveau de Fermi est, En réalité, pas une tâche triviale, principalement parce que les électrons n'occupent généralement pas ces états.

L'une des rares façons d'y parvenir est d'utiliser une astuce basée sur la spectroscopie à effet tunnel :

« Nous acquérons des « cartographies » du courant d'effet tunnel quantique entre la pointe et l'échantillon à différents biais, " explique Iolanda.

Les dérivées de ces cartographies présentent des schémas très typiques, provenant de la diffusion des électrons avec le désordre dans l'échantillon.

Ce processus de diffusion mélange des électrons qui sont sur les mêmes contours à énergie constante dans l'espace réciproque, qui est rendu visible en prenant une transformée de Fourier des mappages.

"Dans notre cas, cela a donné des cercles correspondant à des coupes le long d'une dispersion semblable à un cône de Dirac." (voir figure).

Cette technique d'analyse a permis à l'équipe de reconstruire la dispersion de bande (linéaire) dans le matériau et d'extraire les vitesses des porteurs de charge, à la fois dans les bandes de valence et de conduction.

Mais lorsque ces dispersions de bandes mesurées ont été comparées aux prédictions théoriques, il y avait un problème :les vitesses mesurées pour les bandes de conduction et de valence les plus basses étaient significativement plus élevées que les prédictions théoriques.

Cependant, l'équipe a trouvé un moyen d'améliorer considérablement l'accord entre la mesure et la théorie :

"Nous avons utilisé des modèles de plus en plus compliqués pour décrire notre système, et découvert qu'au fur et à mesure que nous améliorions le traitement du potentiel d'échange et de corrélation dans le modèle (passant des méthodes PBE aux méthodes GW), nous avons pu nous rapprocher des valeurs expérimentales - même si nous avons encore observé quelques écarts, " explique Iolanda.

Bien que l'origine de ces interactions étonnamment fortes ne soit toujours pas claire, la nouvelle étude démontre que les effets d'échange-corrélation sont probablement à la base de la vitesse élevée des électrons dans Na 3 Bi.

Comprendre les très hautes mobilités des porteurs dans les semi-métaux topologiques de Dirac est une étape vers la réussite de la mise en œuvre de ces matériaux dans des dispositifs pour l'électronique basse énergie.

L'étude, intitulé "Importance des interactions pour la structure de bande du semi-métal topologique Dirac Na 3 Bi, " a été publié en juillet 2020 dans Examen physique B .