Des chercheurs du Paul Scherrer Institute PSI et du Brookhaven National Laboratory (BNL), travailler dans une équipe internationale, ont développé une nouvelle méthode d'études complexes aux rayons X qui aidera à mieux comprendre les métaux dits corrélés. Ces matériaux pourraient s'avérer utiles pour des applications pratiques dans des domaines tels que la supraconductivité, traitement de l'information, et les ordinateurs quantiques. Aujourd'hui, les chercheurs présentent leurs travaux dans la revue Examen physique X .

Dans des substances telles que le silicium ou l'aluminium, la répulsion mutuelle des électrons n'affecte guère les propriétés du matériau. Ce n'est pas le cas avec les matériaux dits corrélés, dans lequel les électrons interagissent fortement les uns avec les autres. Le mouvement d'un électron dans un matériau corrélé conduit à une réaction complexe et coordonnée des autres électrons. Ce sont précisément ces processus couplés qui rendent ces matériaux corrélés si prometteurs pour des applications pratiques, et en même temps si compliqué à comprendre.

Les matériaux fortement corrélés sont des candidats pour de nouveaux supraconducteurs à haute température, qui peuvent conduire l'électricité sans perte et qui sont utilisés en médecine, par exemple, en imagerie par résonance magnétique. Ils pourraient également être utilisés pour construire des composants électroniques, ou encore des ordinateurs quantiques, avec lequel les données peuvent être traitées et stockées plus efficacement.

"Les matériaux fortement corrélés présentent une multitude de phénomènes fascinants, " dit Thorsten Schmitt, responsable du groupe Spectroscopie des nouveaux matériaux au PSI :« Cependant, comprendre et exploiter le comportement complexe qui se cache derrière ces phénomènes reste un défi majeur." Schmitt et son groupe de recherche s'attaquent à cette tâche à l'aide d'une méthode pour laquelle ils utilisent le rayonnement X intense et extrêmement précis de la lumière suisse Source SLS au PSI Cette technique moderne, développé au PSI ces dernières années, est appelée diffusion inélastique résonnante des rayons X, ou RIXS pour faire court.

Les rayons X excitent les électrons

Avec RIXS, des rayons X mous sont diffusés sur un échantillon. Le faisceau de rayons X incident est réglé de telle manière qu'il élève les électrons d'une orbitale électronique inférieure à une orbitale supérieure, ce qui signifie que des résonances spéciales sont excitées. Cela déséquilibre le système. Divers processus électrodynamiques le ramènent à l'état fondamental. Une partie de l'énergie excédentaire est à nouveau émise sous forme de rayons X. Le spectre de ce rayonnement diffusé de manière inélastique fournit des informations sur les processus sous-jacents et donc sur la structure électronique du matériau.

"Dans les années récentes, RIXS est devenu un outil expérimental puissant pour déchiffrer la complexité des matériaux corrélés, " explique Schmitt. Lorsqu'il est utilisé pour étudier les isolants corrélés en particulier, il fonctionne très bien. Jusqu'à maintenant, cependant, la méthode n'a pas réussi à sonder les métaux corrélés. Son échec était dû à la difficulté d'interpréter les spectres extrêmement compliqués causés par de nombreux processus électrodynamiques différents au cours de la diffusion. « A cet égard, la collaboration avec les théoriciens est essentielle, " explique Schmitt, "parce qu'ils peuvent simuler les processus observés dans l'expérience."

Calculs de métaux corrélés

C'est une spécialité du physicien théoricien Keith Gilmore, anciennement du Brookhaven National Laboratory (BNL) aux États-Unis et maintenant à l'Université Humboldt de Berlin. « Calculer les résultats du RIXS pour les métaux corrélés est difficile car vous devez gérer plusieurs orbitales électroniques, larges bandes passantes, et un grand nombre d'interactions électroniques à la fois, " dit Gilmore. Les isolants corrélés sont plus faciles à manipuler car moins d'orbitales sont impliquées; cela permet des calculs de modèle qui incluent explicitement tous les électrons. Pour être précis, Gilmore explique :« Dans notre nouvelle méthode de description des processus RIXS, nous combinons maintenant les contributions qui proviennent de l'excitation d'un électron avec la réaction coordonnée de tous les autres électrons."

Pour tester le calcul, les chercheurs du PSI ont expérimenté une substance que le scientifique du BNL Jonathan Pelliciari avait étudiée en détail dans le cadre de sa thèse de doctorat au PSI :le baryum-fer-arséniure. Si vous ajoutez une quantité spécifique d'atomes de potassium au matériau, il devient supraconducteur. Il appartient à une classe de supraconducteurs non conventionnels à base de fer à haute température qui devraient permettre de mieux comprendre le phénomène. "Jusqu'à maintenant, l'interprétation des mesures RIXS sur des matériaux aussi complexes a été principalement guidée par l'intuition. Or, ces calculs RIXS nous donnent aux expérimentateurs un cadre qui permet une interprétation plus pratique des résultats. Nos mesures RIXS au PSI sur baryum-fer-arséniure sont en excellent accord avec les profils calculés, " dit Pelliciari.

Combinaison d'expérience et de théorie

Dans leurs expériences, les chercheurs ont étudié la physique autour de l'atome de fer. "L'un des avantages de RIXS est que vous pouvez vous concentrer sur un composant spécifique et l'examiner en détail pour des matériaux constitués de plusieurs éléments, " dit Schmitt. Le faisceau de rayons X bien réglé fait passer un électron interne dans l'atome de fer de l'état fondamental au niveau central à la bande de valence d'énergie plus élevée, qui n'est que partiellement occupé. Cette excitation initiale de l'électron central peut provoquer d'autres excitations secondaires et déclencher de nombreux processus de désintégration complexes qui se manifestent finalement dans les structures spectrales des satellites. (Voir graphique.)

Étant donné que les contributions des nombreuses réactions sont parfois faibles et proches les unes des autres, il est difficile de savoir quels processus ont réellement eu lieu dans l'expérience. Ici, la combinaison de l'expérience et de la théorie aide. "Si vous n'avez pas de support théorique pour des expériences difficiles, vous ne pouvez pas comprendre les processus, C'est, la physique, en détail, " dit Schmitt. La même chose s'applique à la théorie :" Souvent, vous ne savez pas quelles théories sont réalistes jusqu'à ce que vous puissiez les comparer avec une expérience. Le progrès dans la compréhension vient lorsque l'expérience et la théorie sont réunies. Cette méthode descriptive a ainsi le potentiel de devenir une référence pour l'interprétation des expériences spectroscopiques sur les métaux corrélés."

L'équipe internationale a publié ses travaux dans la revue Examen physique X .