Dans une découverte qui aidera à identifier des états quantiques exotiques, Les physiciens de RIKEN ont vu des facteurs fortement concurrents qui affectent le comportement d'un électron dans un matériau quantique de haute qualité.

Les électrons ont une propriété appelée spin, qui peut être grossièrement considéré comme la rotation d'un électron autour d'un axe. Lorsqu'un électron se déplace, son mouvement et sa rotation peuvent devenir liés par un effet connu sous le nom de couplage spin-orbite. Cet effet est utile car il offre un moyen de contrôler de manière externe le mouvement d'un électron en fonction de son spin - une capacité vitale pour une technologie émergente appelée spintronique, qui cherche à utiliser le spin des électrons pour réaliser un traitement de l'information à faible consommation d'énergie.

Le couplage spin-orbite est un mélange complexe de physique quantique et de relativité, mais cela devient un peu plus facile à comprendre en imaginant un ballon de football rond. "Si un joueur de football botte le ballon, il vole en ligne droite, " explique Denis Maryenko du RIKEN Center for Emergent Matter Science. " Mais si le joueur fait tourner le ballon, ou tourner, son chemin se plie." La trajectoire de la balle et son mouvement de rotation sont liés. Si sa direction de rotation est inversée, la trajectoire de la balle se pliera dans la direction opposée.

Contrairement aux ballons de football, les électrons interagissent également entre eux :deux particules chargées négativement vont se repousser, par exemple. Cette répulsion mutuelle et l'interaction spin-orbite se font concurrence :la première peut agir pour aligner le spin d'un électron avec celui des autres électrons, alors que ce dernier essaie d'aligner le spin d'un électron avec son mouvement.

"Cette interaction a récemment suscité beaucoup d'intérêt, car elle pourrait conduire à l'émergence de nouvelles phases électroniques et de spin, qui pourront être utilisées dans les futures technologies quantiques, " dit Maryenko. " Il est donc important de comprendre les principes fondamentaux de l'interaction. " Mais il est incroyablement difficile d'identifier les deux effets en même temps.

Maintenant, Maryenko et ses collègues ont réussi à démêler les deux effets.

Ils ont examiné des électrons piégés entre deux semi-conducteurs, l'oxyde de zinc et de magnésium et l'oxyde de zinc. Comme le système avait très peu d'impuretés atomiques, il y avait une forte interaction entre les électrons. Et les chercheurs pourraient contrôler la force du couplage spin-orbite en faisant varier la teneur en magnésium. "Nous avons soigneusement examiné comment la résistance de l'échantillon changeait lorsque nous appliquions un champ magnétique, " dit Maryenko. De cette façon, ils ont pu identifier les signatures à la fois du spin-orbite et de la répulsion mutuelle due aux charges des électrons.

Ce système de matériaux de haute qualité représente donc une grande ressource pour tester les prédictions théoriques et il ouvre une voie pour développer des phénomènes spintroniques dans des régimes de forte corrélation d'électrons.