Une équipe dirigée par le laboratoire national d'Oak Ridge du ministère de l'Énergie a découvert un matériau quantique rare dans lequel les électrons se déplacent de manière coordonnée, essentiellement "danser". La tension du matériau crée une structure de groupe électronique qui ouvre la voie à l'exotisme, comportement plus étroitement corrélé - apparenté au tango - parmi les électrons de Dirac, qui sont des porteurs de charge électriques particulièrement mobiles qui pourraient un jour permettre des transistors plus rapides. Les résultats sont publiés dans la revue Avancées scientifiques .

"Nous avons combiné corrélation et topologie dans un seul système, " a déclaré le co-enquêteur principal Jong Mok Ok, qui a conçu l'étude avec le chercheur principal Ho Nyung Lee de l'ORNL. La topologie sonde des propriétés qui sont préservées même lorsqu'un objet géométrique subit une déformation, comme lorsqu'il est étiré ou pressé. « La recherche pourrait s'avérer indispensable pour les futures technologies de l'information et de l'informatique, " a ajouté Ok, un ancien stagiaire postdoctoral de l'ORNL.

Dans les matériaux conventionnels, les électrons se déplacent de manière prévisible (par exemple, léthargique dans les isolants ou énergétiquement dans les métaux). Dans les matériaux quantiques dans lesquels les électrons interagissent fortement les uns avec les autres, les forces physiques font que les électrons se comportent de manière inattendue mais corrélée ; le mouvement d'un électron force les électrons voisins à répondre.

Pour étudier ce tango serré dans les matériaux quantiques topologiques, Ok a dirigé la synthèse d'un film mince cristallin extrêmement stable d'un oxyde de métal de transition. Lui et ses collègues ont fabriqué le film par épitaxie au laser pulsé et l'ont tendu pour comprimer les couches et stabiliser une phase qui n'existe pas dans le cristal en vrac. Les scientifiques ont été les premiers à stabiliser cette phase.

En utilisant des simulations basées sur la théorie, co-chercheur principal Narayan Mohanta, un ancien post-doctorant de l'ORNL, a prédit la structure de bande du matériau contraint. « Dans l'environnement tendu, le composé que nous avons étudié, niobate de strontium, un oxyde de pérovskite, modifie sa structure, créer une symétrie spéciale avec une nouvelle structure de bande d'électrons, " dit Mohanta.

Différents états d'un système de mécanique quantique sont appelés « dégénérés » s'ils ont la même valeur énergétique lors de la mesure. Les électrons sont également susceptibles de remplir chaque état dégénéré. Dans ce cas, la symétrie spéciale résulte en quatre états se produisant dans un seul niveau d'énergie.

"En raison de la symétrie spéciale, la dégénérescence est protégée, " a déclaré Mohanta. " La dispersion d'électrons de Dirac que nous avons trouvée ici est nouvelle dans un matériau. " Il a effectué des calculs avec Satoshi Okamoto, qui a développé un modèle pour découvrir comment la symétrie cristalline influence la structure de la bande.

"Pensez à un matériau quantique sous champ magnétique comme un immeuble de 10 étages avec des résidents à chaque étage, " Ok posé. " Chaque étage est défini, niveau d'énergie quantifié. Augmenter l'intensité du champ revient à déclencher une alarme incendie qui amène tous les résidents au rez-de-chaussée pour se retrouver dans un endroit sûr. En réalité, il conduit tous les électrons de Dirac à un niveau d'énergie au sol appelé limite quantique extrême."

Lee a ajouté, « Confiné ici, les électrons s'entassent. Leurs interactions augmentent considérablement, et leur comportement devient interconnecté et compliqué." Ce comportement des électrons corrélés, un départ d'une image à une seule particule, ouvre la voie à un comportement inattendu, comme l'intrication électronique. En enchevêtrement, un état qu'Einstein a appelé "action effrayante à distance, " plusieurs objets se comportent comme un seul. C'est la clé de la réalisation de l'informatique quantique.

"Notre objectif est de comprendre ce qui se passera lorsque les électrons entreront dans la limite quantique extrême, où l'on trouve des phénomènes qu'on ne comprend toujours pas, " Lee a dit. "C'est une zone mystérieuse."

Les électrons Speedy Dirac sont prometteurs dans des matériaux tels que le graphène, isolants topologiques et certains supraconducteurs non conventionnels. Le matériau unique d'ORNL est un semi-métal Dirac, dans laquelle les bandes de valence et de conduction des électrons se croisent et cette topologie donne un comportement surprenant. Ok a mené des mesures des fortes corrélations électroniques du semi-métal de Dirac.

"Nous avons trouvé la mobilité électronique la plus élevée dans les systèmes à base d'oxyde, " Ok dit. " C'est le premier matériau Dirac à base d'oxyde atteignant la limite quantique extrême. "

C'est de bon augure pour l'électronique de pointe. La théorie prédit que cela devrait prendre environ 100, 000 tesla (une unité de mesure magnétique) pour que les électrons dans les semi-conducteurs conventionnels atteignent la limite quantique extrême. Les chercheurs ont emmené leur matériau quantique topologique conçu par contrainte à Eun Sang Choi du National High Magnetic Field Laboratory de l'Université de Floride pour voir ce qu'il faudrait pour conduire les électrons à la limite quantique extrême. Là, il a mesuré les oscillations quantiques montrant que le matériau ne nécessiterait que 3 teslas pour y parvenir.

D'autres installations spécialisées ont permis aux scientifiques de confirmer expérimentalement le comportement prédit par Mohanta. Les expériences se sont déroulées à basse température afin que les électrons puissent se déplacer sans être heurtés par les vibrations du réseau atomique. Le groupe de Jeremy Levy à l'Université de Pittsburgh et au Pittsburgh Quantum Institute a confirmé les propriétés de transport quantique. Avec la diffraction des rayons X synchrotron, Hua Zhou à la source avancée de photons, une installation utilisateur du DOE Office of Science au Laboratoire national d'Argonne, a confirmé que la structure cristallographique du matériau stabilisée dans la phase de film mince a donné la structure de bande de Dirac unique. Sangmoon Yoon et Andrew Lupini, tous les deux de l'ORNL, mené des expériences de microscopie électronique à transmission à balayage à l'ORNL qui ont montré que les films minces épitaxiés avaient des interfaces nettes entre les couches et que les comportements de transport étaient intrinsèques au niobate de strontium contraint.

"Jusqu'à maintenant, nous n'avons pas pu explorer pleinement la physique de la limite quantique extrême en raison des difficultés à pousser tous les électrons à un niveau d'énergie pour voir ce qui se passerait, " dit Lee. " Maintenant, nous pouvons pousser tous les électrons à cette limite quantique extrême en appliquant seulement quelques teslas de champ magnétique dans un laboratoire, accélérer notre compréhension de l'intrication quantique."

Le titre du Avancées scientifiques le document est « Correated Oxide Dirac Semimetal in the Extreme Quantum Limit ».