Les physiciens ont découvert un matériau dans lequel les atomes sont disposés d'une manière qui entrave tellement le mouvement des électrons qu'ils s'engagent dans une danse collective où leurs natures électronique et magnétique semblent à la fois rivaliser et coopérer de manière inattendue.

Dirigée par des physiciens de l'Université Rice, la recherche a été publiée en ligne aujourd'hui dans Nature . Dans des expériences à Rice, Oak Ridge National Laboratory (ORNL), SLAC National Accelerator Laboratory, Lawrence Berkeley National Laboratory (LBNL), l'Université de Washington (UW), l'Université de Princeton et l'Université de Californie à Berkeley, les chercheurs ont étudié le fer pur-germanium des cristaux et des ondes stationnaires découvertes d'électrons fluides sont apparus spontanément dans les cristaux lorsqu'ils ont été refroidis à une température extrêmement basse. Curieusement, les ondes de densité de charge sont apparues alors que le matériau était dans un état magnétique, vers lequel il était passé à une température plus élevée.

"Une onde de densité de charge se produit généralement dans des matériaux qui n'ont pas de magnétisme", a déclaré l'auteur co-correspondant de l'étude, Pengcheng Dai de Rice. "Les matériaux qui ont à la fois une onde de densité de charge et un magnétisme sont en fait rares. Encore plus rares sont ceux où l'onde de densité de charge et le magnétisme se "parlent", comme ils semblent le faire dans ce cas."

"Habituellement, l'onde de densité de charge se produit en même temps que le magnétisme ou à une température plus élevée que la transition magnétique", a-t-il déclaré. "Ce cas particulier semble être spécial, car l'onde de densité de charge se produit en fait à une température bien inférieure au magnétisme. Nous ne connaissons aucun autre exemple où cela se produit réellement dans un matériau comme celui-ci, qui comporte un réseau de kagome. Cela suggère que cela pourrait être lié au magnétisme."

Les cristaux de fer-germanium utilisés dans les expériences ont été cultivés dans le laboratoire de Dai et présentent un arrangement distinct d'atomes dans leur réseau cristallin qui rappelle les motifs trouvés dans les paniers kagome japonais. Les triangles équilatéraux dans le réseau forcent les électrons à interagir, et parce qu'ils détestent être proches les uns des autres, ce forçage frustre leurs mouvements. Le forçage augmente à mesure que les températures baissent, donnant lieu à des comportements collectifs comme l'onde de densité de charge.

L'auteur co-correspondant à l'étude, Ming Yi, également de Rice, déclare que "l'onde de densité de charge est comme des vagues se formant à la surface de l'océan. Elle ne se forme que lorsque les conditions sont réunies. Dans ce cas, nous l'avons observée lorsqu'une caractéristique unique en forme de selle est apparu dans les états quantiques dans lesquels les électrons sont autorisés à vivre. Le lien avec l'ordre magnétique est que cette onde de densité de charge ne se produit que lorsque le magnétisme fait apparaître la selle. C'est notre hypothèse."

Les expériences offrent un aperçu fascinant des propriétés que les physiciens trouveront dans les matériaux quantiques qui présentent à la fois des caractéristiques topologiques et celles résultant d'interactions électroniques fortement corrélées.

Dans les matériaux topologiques, les modèles d'intrication quantique produisent des états "protégés" qui ne peuvent pas être effacés. La nature immuable des états topologiques est d'un intérêt croissant pour l'informatique quantique et la spintronique. Les premiers matériaux topologiques étaient des isolants non conducteurs dont les états protégés leur permettaient de conduire l'électricité de manière limitée, comme sur les surfaces extérieures 2D ou le long des bords 1D.

"Dans le passé, les matériaux topologiques étaient des types très faiblement corrélés", a déclaré Yi, professeur adjoint de physique et d'astronomie à Rice. "Les gens ont utilisé ces matériaux pour vraiment comprendre la topologie des matériaux quantiques, mais le défi consiste maintenant à trouver des matériaux où nous pouvons tirer parti à la fois des états topologiques et des fortes corrélations électroniques."

Dans les matériaux fortement corrélés, les interactions de milliards et de milliards d'électrons donnent lieu à des comportements collectifs comme la supraconductivité non conventionnelle ou les fluctuations continuelles entre les états magnétiques dans les liquides de spin quantique.

"Pour les matériaux faiblement corrélés comme les isolants topologiques d'origine, les calculs du premier principe fonctionnent très bien", a déclaré Yi. "En vous basant simplement sur la façon dont les atomes sont disposés, vous pouvez calculer le type de structure de bande auquel vous attendre. Il existe une très bonne voie du point de vue de la conception des matériaux. Vous pouvez même prédire la topologie des matériaux."

"Mais les matériaux fortement corrélés sont plus difficiles", a-t-elle déclaré. "Il y a un manque de lien entre la théorie et la mesure. Ainsi, non seulement il est difficile de trouver des matériaux qui sont à la fois fortement corrélés et topologiques, mais lorsque vous les trouvez et les mesurez, il est également très difficile de relier ce que vous mesurez. avec un modèle théorique qui explique ce qui se passe."

Yi et Dai ont déclaré que les matériaux en treillis Kagome pourraient ouvrir la voie.

"À un moment donné, vous voulez pouvoir dire :'Je veux créer un matériau avec des comportements et des propriétés particuliers'", a déclaré Yi. "Je pense que kagome est une bonne plateforme dans cette direction, car il existe des moyens de faire des prédictions directes, basées sur la structure cristalline, sur le type de structure de bande que vous obtiendrez et donc sur les phénomènes qui peuvent survenir en fonction de cette structure de bande. Il a beaucoup des bons ingrédients." + Explorer plus loin

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