Qu'il s'agisse de regarder dans l'espace ou de scruter au plus profond du royaume microscopique, il y a toujours plus à voir. Dans le cas des solides, il existe un monde d'atomes et de particules grouillant d'activité qui conduit finalement à des propriétés utiles telles que la conduction électrique, le magnétisme et l'isolation.

L'un des outils les plus puissants pour voir l'invisible est un microscope à effet tunnel ou STM en abrégé. Plutôt qu'une lentille optique, son œil puissant provient d'un courant électrique qui passe entre la pointe du microscope et le matériau de l'échantillon. La pointe balaye l'échantillon et produit un signal qui change en fonction de la disposition des atomes dans un matériau donné. Pris ensemble, les scans cartographient les surfaces avec une résolution inférieure au nanomètre, révélant les électrons et les emplacements des atomes uniques.

Récemment, une équipe de chercheurs IQUIST de l'Université de l'Illinois à Urbana-Champaign a ajouté une touche à leur STM en remplaçant la pointe par un nanofil fabriqué à partir d'un matériau exotique, l'hexaborure de samarium (SmB₆ ). Ils utilisent le nanofil pour imager les caractéristiques magnétiques dans une approche qui présente des avantages potentiels par rapport à d'autres méthodes. Tel que publié dans le numéro du 9 septembre de Science, leurs mesures et calculs combinés ont montré la nature inhabituelle du nanofil lui-même.

"Lin Jiao, un ancien post-doctorant de notre groupe, a proposé l'idée que ce type de pointe de nanofil pourrait nous donner une réponse oui-non quant à savoir si un matériau était magnétique ou non", a déclaré Vidya Madhavan, membre de l'IQUIST, un professeur de physique et auteur correspondant sur le papier. "A notre grande surprise, Anuva Aishwarya, une étudiante diplômée du groupe, a montré que ces conseils pouvaient donner beaucoup plus d'informations que cela."

Au cœur d'un STM se trouve un effet qui permet aux électrons de "tunneliser" à travers une barrière. Les électrons sont des particules fondamentales régies par la physique quantique et peuvent agir comme des ondes. Contrairement aux vagues d'eau, les électrons ne se dissipent pas nécessairement ou ne rebondissent pas complètement lorsqu'ils frappent une surface. Lorsqu'ils rencontrent une barrière ultra mince, une partie de l'onde peut s'infiltrer dans un processus appelé effet tunnel quantique. Dans un STM, il y a un espace entre la pointe du microscope et le matériau de l'échantillon. Les électrons peuvent creuser un tunnel à travers cet espace, créant un signal électrique qui, à son tour, contient des informations sur l'échantillon.

En plus de la charge, les électrons ont une propriété appelée spin, qui peut être représentée par une flèche attachée à l'électron. Généralement, les courants électriques peuvent contenir des électrons avec leurs spins pointés dans des directions aléatoires. Mais les scientifiques peuvent amener certains matériaux à transporter des courants avec la direction de rotation verrouillée. Par exemple, des courants à spin fixe (polarisés) dans les STM peuvent être générés avec une combinaison de pointes magnétiques et d'aimants externes. Malheureusement, les aimants ajoutés peuvent être invasifs et peuvent affecter par inadvertance les atomes de l'échantillon. Dans la nouvelle étude, les chercheurs ont adopté une approche différente pour créer des courants polarisés en spin.

Plutôt que d'utiliser une pointe magnétique, l'équipe a utilisé du SmB₆ non magnétique . Il y a une dizaine d'années, les scientifiques ont prédit que ce matériau pourrait être un isolant topologique Kondo, qui devrait avoir des courants polarisés en spin inhabituellement stables sans aucun aimant ajouté. Ainsi, à la surface de SmB₆ les courants électriques se déplaçant vers la droite doivent avoir des électrons avec spin-up, et vice versa pour les courants vers la gauche. Les courants peuvent même survivre face à des défauts indésirables dans le matériau. Il s'agit d'une caractéristique générale des isolants topologiques, mais les scientifiques ont dû relever des défis pour traduire cette physique plutôt exotique en applications technologiques réelles. De plus, les scientifiques tentent toujours de comprendre les différentes variétés de matériaux topologiques. Cette nouvelle étude fournit des preuves solides que SmB₆ est en effet un isolant topologique Kondo et utilise ses courants particuliers pour simplifier l'imagerie magnétique.

Dans le laboratoire de Madhavan, l'équipe a utilisé la nanofabrication pour modifier le STM. Zhuozhen (un étudiant de premier cycle dans le groupe) guidé par Lin, a passé des centaines d'heures dans une salle blanche à développer cette procédure. Tout d'abord, ils ont utilisé un faisceau d'ions pour couper la pointe normale, qui est en tungstène. Ensuite, ils ont intégré le nanofil dans une tranchée de seulement quelques centaines de nanomètres de large. Les fils avaient un diamètre d'environ 60 à 100 nanomètres, soit à peu près la taille de certains virus.

Ils ont balayé la pointe à travers la surface du tellurure de fer, qui est un antiferromagnétique. De tels matériaux ont des régions alternées d'électrons de spin-up et de spin-down, et l'aimantation globale s'annule. Cela contraste avec les barreaux aimantés courants plus familiers, qui ont tous les spins électroniques pointés dans une seule direction. Les images STM précédentes avec des pointes magnétiques montraient des rayures claires-sombres-claires, ce qui signifie que l'échantillon est antiferromagnétique. L'équipe a recueilli des images similaires avec la nouvelle configuration de nanofils non magnétiques, qui indiquait que les électrons tunnel de SmB₆ étaient polarisés en spin. Lorsque la pointe se trouvait au-dessus d'une région de l'antferromagnétique avec des spins correspondant à l'orientation des spins du courant de surface, le signal augmentait ; sinon, il a diminué. Le STM a cartographié ces variations en scannant l'échantillon et a montré des motifs clairs correspondant aux rayures à rotation alternée.

Pour confirmer davantage que les signaux des nanofils étaient liés aux courants inhabituels de SmB₆ , l'équipe a réchauffé l'expérience au-dessus de 10 Kelvin. À cette température, SmB₆ ne devrait plus être un isolant topologique de Kondo et perdra ses courants de spin de surface. Surtout, le STM n'a plus observé de bandes antiferromagnétiques, même si l'ordre magnétique de l'échantillon survit à cette température. Ils ont découvert que les courants polarisés en spin n'étaient tout simplement pas présents dans le nanofil au-dessus de cette température. L'équipe a effectué une troisième vérification des courants polarisés en spin en changeant la direction de la tension appliquée à la pointe du nanofil. Cela a inversé la direction du courant tunnel entre le STM et l'échantillon. Les images STM ont montré que le contraste dans les images est inversé, ce qui ne peut se produire que si les électrons tunnel ont une polarisation de spin qui s'inverse lorsque le courant change de direction. Ensemble, ces preuves ont montré la nature exotique de SmB₆ .

"Nous pouvons changer le nanofil sur la pointe en un matériau différent, ce qui nous permettrait de sonder d'autres aspects potentiellement inhabituels de notre échantillon", a déclaré Anuva Aishwarya, auteure principale et étudiante diplômée en physique du groupe de Madhavan. "Je suis très enthousiaste à ce sujet car cela ouvre les portes à une nouvelle technique de détection à l'échelle nanométrique !"

Les propriétés de la pointe étaient étonnamment reproductibles, a déclaré Madhavan. L'équipe a même pu exposer les nanofils à l'air et ils ont toujours bien réussi dans le STM. On ignore encore beaucoup de choses sur SmB₆ , mais ses performances robustes combinées aux données de mesure sont cohérentes avec les prédictions concernant sa nature topologique.

"Cette technique est peut-être la première application réelle d'un isolant topologique, et remarquablement, pour qu'elle fonctionne, il est crucial que l'origine de la topologie provienne de fortes interactions à plusieurs électrons comme prévu dans SmB₆ ", a déclaré Taylor Hughes, membre de l'IQUIST, professeur de physique et co-auteur de l'étude.

Dans de futures études, l'équipe prévoit de modifier le nanofil pour voir s'il peut révéler encore plus de caractéristiques matérielles. Par exemple, ils s'intéressent à la création et à la détection d'entités exotiques ressemblant à des particules telles que les fermions de Majorana, qui ont longtemps été proposées comme base pour de nouveaux dispositifs informatiques quantiques. + Explorer plus loin

Une nouvelle voie vers les courants polarisés en spin