En bricolant un matériau quantique caractérisé par des atomes disposés en forme d'étoile de shérif, les physiciens et collègues du MIT ont découvert de manière inattendue une nouvelle façon de faire connaître un état de la matière sous le nom de métal étrange. Les métaux étranges sont intéressants pour leur physique inhabituelle et parce qu'ils ont été découverts dans les supraconducteurs à haute température, clés pour une variété d'applications.
Le travail introduit une toute nouvelle façon de créer et d’étudier des métaux étranges, dont les électrons se comportent différemment de ceux d’un métal conventionnel comme le cuivre. "Il s'agit d'une nouvelle approche potentielle pour concevoir ces matériaux inhabituels", déclare Joseph G. Checkelsky, chercheur principal de la recherche et professeur agrégé de physique.
Linda Ye, Ph.D. du MIT. '21, est le premier auteur d'un article sur les travaux publié plus tôt cette année dans Nature Physics . "Une nouvelle façon de fabriquer des métaux étranges nous aidera à développer une théorie unificatrice derrière leur comportement. Cela a été assez difficile jusqu'à présent et pourrait conduire à une meilleure compréhension d'autres matériaux, y compris les supraconducteurs à haute température", explique Ye, aujourd'hui chercheur. professeur adjoint au California Institute of Technology.
La Physique de la Nature Le journal est accompagné d'un article de News &Views intitulé "Une étrange façon d'obtenir un métal étrange."
En 2018, Checkelsky et plusieurs de ses collègues ont fait état d’une classe de matériaux quantiques connus sous le nom de métaux kagome. Les membres de la famille des métaux kagome sont composés de couches d'atomes disposées dans un réseau d'unités répétitives semblable à une étoile de David ou à un insigne de shérif. Le motif est également courant dans la culture japonaise, notamment en tant que motif de vannerie.
"Nous étions intéressés par le réseau de Kagome parce que la théorie montrait qu'il devrait héberger une variété de caractéristiques intéressantes pour les électrons qui y sont placés", explique Linda Ye. En effet, dans leur article de 2018, Ye, Checkelsky et ses collègues, dont Riccardo Comin et Liang Fu (également de physique au MIT), ont rapporté que leur nouveau métal Kagome produisait des fermions de Dirac, des particules presque sans masse similaires aux photons qui transportent la lumière.
"Dans ce cas, les fermions de Dirac étaient plus ou moins attendus des calculs", explique Ye. Mais les métaux étranges découverts dans les travaux actuels étaient complètement inattendus, et « cela nous amène vraiment à un nouveau régime », dit-elle.
Après leur découverte des fermions de Dirac, les chercheurs ont voulu voir s'ils pouvaient trouver « une caractéristique encore plus intéressante dans le réseau de Kagome appelée bande plate », explique Ye. Il s'agit d'un phénomène dans lequel les électrons restent essentiellement immobiles, même si chacun tourne toujours autour de son propre axe.
Faire en sorte que les électrons restent immobiles leur permet de vraiment se parler. Et c'est à ce moment-là que toutes les choses vraiment intéressantes en physique de la matière condensée se produisent.
Plus précisément, l’équipe recherchait une bande plate au niveau de Fermi, qui peut être considérée comme la surface de l’océan. Ils l'ont trouvé et ont commencé à explorer les propriétés électriques du système soumis à une haute pression et à un champ magnétique.
Ils ont découvert que les électrons de la bande plate interagissent fortement avec les autres électrons du système. Le résultat, dit Ye, peut encore une fois être comparé à l’océan. Les électrons non perturbés dans la bande plate peuvent être considérés comme une mer calme. Une fois qu’ils commencent à interagir avec les autres autour d’eux, la mer calme se transforme en une tempête déchaînée dans laquelle les électrons agissent de deux manières différentes. Le résultat :un métal étrange.
"Nous savions que le flat band donnerait quelque chose d'intéressant, mais nous ne savions pas exactement ce que cela nous donnerait. Et ce que nous avons trouvé est un métal étrange", dit Ye.
Elle note que les travaux montrent que le réseau kagome est un « principe de conception très important pour les nouveaux états électroniques ». En conséquence, elle souhaite désormais étendre ses travaux à d’autres réseaux.
La découverte est le résultat d’années de recherche. Ye elle-même a commencé à explorer les systèmes kagome vers 2015. « Ce fut un long projet », dit-elle. "Ça a été assez gratifiant de construire cela étape par étape et de découvrir beaucoup de choses intéressantes en cours de route."
Les co-auteurs de Ye et Checkelsky au MIT sont Shiang Fang, associé postdoctoral en physique du MIT; Mingu Kang, Ph.D. du MIT. '23, maintenant à l'Université Cornell; Yonghun Lee, un étudiant invité de premier cycle ; Caolan John et Paul M. Neves, étudiants diplômés en physique du MIT; S.Y. Frank Zhao, associé postdoctoral en physique du MIT ; et Riccardo Comin, professeur agrégé de physique en développement de carrière, promotion 1947.
D'autres auteurs sont Josef Kaufmann de l'Université de Technologie de Vienne et de l'Institut Leibniz pour la recherche sur les semi-conducteurs et les matériaux; Jonathan Denlinger, Chris Jozwiak, Aaron Bostwick et Eli Rotenberg, tous du Lawrence Berkeley National Laboratory ; Efthimios Kaxiras et David C. Bell de l'Université Harvard; et Oleg Janson de l'Institut Leibniz pour la recherche sur les solides et les matériaux.
Plus d'informations : Linda Ye et al, Bande plate induite par la frustration et étrange métallicité dans un métal kagome, Nature Physics (2024). DOI :10.1038/s41567-023-02360-5
William R. Meier, Une étrange façon d'obtenir un métal étrange, Nature Physics (2024). DOI :10.1038/s41567-024-02416-0
Informations sur le journal : Physique de la nature
Fourni par le laboratoire de recherche sur les matériaux du Massachusetts Institute of Technology
