Une illustration de deux domaines (bleu et orange) divisés par un mur de domaine (zone blanche) dans un matériau. L'ordre magnétique est désigné par des flèches organisées (spins électroniques) tandis que les couleurs représentent deux domaines différents (mais le même ordre magnétique). Dans le matériel illustré ici, les parois des domaines sont conductrices et les domaines sont isolants. Crédit :Yejun Fang
Comme tous les métaux, argent, le cuivre, et l'or sont conducteurs. Les électrons les traversent, transportant de la chaleur et de l'électricité. Alors que l'or est un bon conducteur dans toutes les conditions, certains matériaux n'ont la propriété de se comporter comme des conducteurs métalliques que si les températures sont suffisamment élevées; à basse température, ils agissent comme des isolants et ne transportent pas bien l'électricité. En d'autres termes, ces matériaux inhabituels vont d'agir comme un morceau d'or à agir comme un morceau de bois lorsque les températures sont abaissées. Les physiciens ont développé des théories pour expliquer cette transition dite métal-isolant, mais les mécanismes derrière les transitions ne sont pas toujours clairs.
"Dans certains cas, il n'est pas facile de prédire si un matériau est un métal ou un isolant, " explique Yejun Feng, associé invité de Caltech de l'Okinawa Institute for Science and Technology Graduate University. " Les métaux sont toujours de bons conducteurs quoi qu'il arrive, mais certains autres métaux dits apparents sont des isolants pour des raisons qui ne sont pas bien comprises. comme le collaborateur David Mandrus à l'Université du Tennessee, ont réfléchi au problème pendant plus de deux décennies.
Maintenant, une nouvelle étude de Feng et ses collègues, Publié dans Communication Nature , offre la preuve expérimentale la plus nette à ce jour d'une théorie de la transition métal-isolant proposée il y a 70 ans par le physicien John Slater. Selon cette théorie, magnétisme, qui se produit lorsque les soi-disant "spins" des électrons dans un matériau sont organisés de manière ordonnée, peut uniquement piloter la transition métal-isolant ; dans d'autres expériences précédentes, des changements dans la structure du réseau d'un matériau ou des interactions d'électrons en fonction de leurs charges ont été jugés responsables.
"C'est un problème qui remonte à une théorie introduite en 1951, mais jusqu'à présent, il a été très difficile de trouver un système expérimental qui démontre réellement les interactions spin-spin comme la force motrice en raison de facteurs de confusion, " explique le co-auteur Thomas Rosenbaum, un professeur de physique à Caltech qui est également le président de l'Institut et la chaire présidentielle Sonja et William Davidow.
"Slater a proposé que, à mesure que la température baisse, un état magnétique ordonné empêcherait les électrons de traverser le matériau, " explique Rosenbaum. " Bien que son idée soit théoriquement valable, il s'avère que pour la grande majorité des matériaux, la façon dont les électrons interagissent les uns avec les autres électroniquement a un effet beaucoup plus fort que les interactions magnétiques, ce qui a rendu difficile la tâche de prouver le mécanisme de Slater. »
La recherche aidera à répondre à des questions fondamentales sur le comportement des différents matériaux, et peut également avoir des applications dans la technologie, par exemple dans le domaine de la spintronique, dans lequel les spins des électrons formeraient la base des dispositifs électriques au lieu des charges d'électrons comme c'est la routine maintenant. "Les questions fondamentales sur le métal et les isolants seront pertinentes dans la prochaine révolution technologique, " dit Feng.
Voisins en interaction
Typiquement, quand quelque chose est un bon conducteur, comme un métal, les électrons peuvent circuler en grande partie sans entrave. Inversement, avec des isolants, les électrons restent bloqués et ne peuvent pas voyager librement. La situation est comparable à des communautés de personnes, explique Feng. Si vous considérez les matériaux comme des communautés et les électrons comme des membres des ménages, puis "les isolateurs sont des communautés avec des gens qui ne veulent pas que leurs voisins viennent parce que cela les met mal à l'aise". Métaux conducteurs, cependant, représentent des "communautés très unies, comme dans un dortoir universitaire, où les voisins se rendent visite librement et fréquemment, " il dit.
Yejun Feng (à gauche), Yishu Wang (à droite), et Daniel Silevitch (en bas), sont photographiés ici en train de mettre en place une expérience dans le laboratoire Rosenbaum à Caltech. Crédit : Institut de technologie de Californie
De même, Feng utilise cette métaphore pour expliquer ce qui se passe lorsque certains métaux deviennent des isolants lorsque les températures chutent. "C'est comme l'hiver, en ce que les gens - ou les électrons - restent chez eux et ne sortent pas et n'interagissent pas. "
Dans les années 1940, Le physicien Sir Nevill Francis Mott a découvert comment certains métaux peuvent devenir des isolants. Sa théorie, qui a remporté le prix Nobel de physique en 1977, décrit comment « certains métaux peuvent devenir des isolants lorsque la densité électronique diminue en séparant les atomes les uns des autres d'une manière pratique, " selon le communiqué du prix Nobel. Dans ce cas, la répulsion entre les électrons est à l'origine de la transition.
En 1951, Slater a proposé un mécanisme alternatif basé sur les interactions spin-spin, mais cette idée a été difficile à prouver expérimentalement car les autres processus de la transition métal-isolant, y compris ceux proposés par Mott, peut submerger le mécanisme Slater, ce qui rend difficile l'isolement.
Les défis des matériaux réels
Dans la nouvelle étude, les chercheurs ont enfin pu démontrer expérimentalement le mécanisme de Slater à l'aide d'un composé étudié depuis 1974, appelé oxyde de pyrochlore ou Cd2Os2O7. Ce composé n'est pas affecté par d'autres mécanismes de transition métal-isolant. Cependant, au sein de ce matériau, le mécanisme de Slater est éclipsé par un défi expérimental imprévu, à savoir la présence de « murs de domaine » qui divisent le matériau en sections.
"Les murs du domaine sont comme les autoroutes ou les grandes routes entre les communautés, " dit Feng. En oxyde de pyrochlore, les parois du domaine sont conductrices, même si la majeure partie du matériau est isolante. Bien que les murs de domaine aient commencé comme un défi expérimental, ils se sont avérés essentiels au développement par l'équipe d'une nouvelle procédure et technique de mesure pour prouver le mécanisme de Slater.
"Les efforts précédents pour prouver la théorie de la transition métal-isolant de Slater ne tenaient pas compte du fait que les parois du domaine masquaient les effets induits par le magnétisme, " dit Yishu Wang (Ph.D. '18), un co-auteur à l'Université Johns Hopkins qui a continuellement travaillé sur cette étude depuis ses études supérieures à Caltech. « En isolant les murs du domaine de la masse des isolants, nous avons pu développer une compréhension plus complète du mécanisme de Slater. » Wang avait auparavant travaillé avec Patrick Lee, professeur invité à Caltech du MIT, étendre la compréhension de base des parois de domaine conductrices en utilisant des arguments de symétrie, qui décrivent comment et si les électrons des matériaux réagissent aux changements de direction d'un champ magnétique.
"En remettant en cause les hypothèses conventionnelles sur la façon dont les mesures de conductivité électrique sont effectuées dans les matériaux magnétiques grâce à des arguments de symétrie fondamentale, nous avons développé de nouveaux outils pour sonder les dispositifs spintroniques, dont beaucoup dépendent du transport à travers les murs du domaine, " dit Rosenbaum.
"Nous avons développé une méthodologie pour différencier l'influence du mur de domaine, et ce n'est qu'alors que le mécanisme de Slater pourrait être révélé, " dit Feng. " C'est un peu comme découvrir un diamant brut. "
