Les scientifiques de l'Université Rice ont découvert un matériau unique en son genre, un métal cristallin 3D dans lequel les corrélations quantiques et la géométrie de la structure cristalline se combinent pour contrecarrer le mouvement des électrons et les verrouiller en place.
La découverte est détaillée dans une étude publiée dans Nature Physics . L'article décrit également le principe de conception théorique et la méthodologie expérimentale qui ont guidé l'équipe de recherche vers le matériau. Composé d'une part de cuivre, de deux parts de vanadium et de quatre parts de soufre, l'alliage présente un réseau de pyrochlore 3D composé de tétraèdres partageant les coins.
"Nous recherchons des matériaux dans lesquels il existe potentiellement de nouveaux états de la matière ou de nouvelles caractéristiques exotiques qui n'ont pas été découvertes", a déclaré Ming Yi, auteur co-correspondant de l'étude, physicien expérimental chez Rice.
Les matériaux quantiques sont un endroit probable à explorer, surtout s’ils hébergent de fortes interactions électroniques qui donnent lieu à une intrication quantique. L'intrication conduit à des comportements électroniques étranges, notamment en frustrant le mouvement des électrons au point où ils se bloquent.
"Cet effet d'interférence quantique est analogue aux vagues ondulant sur la surface d'un étang et se rencontrant de front", a déclaré Yi. "La collision crée une onde stationnaire qui ne bouge pas. Dans le cas de matériaux de réseau géométriquement frustrés, ce sont les fonctions d'onde électroniques qui interfèrent de manière destructrice."
La localisation des électrons dans les métaux et semi-métaux produit des bandes électroniques plates, ou bandes plates. Ces dernières années, les physiciens ont découvert que la disposition géométrique des atomes dans certains cristaux 2D, comme les réseaux de Kagome, pouvait également produire des bandes plates. La nouvelle étude fournit des preuves empiriques de l'effet dans un matériau 3D.
À l'aide d'une technique expérimentale appelée spectroscopie de photoémission à résolution angulaire, ou ARPES, Yi et l'auteur principal de l'étude, Jianwei Huang, chercheur postdoctoral dans son laboratoire, ont détaillé la structure de bande du matériau cuivre-vanadium-soufre et ont découvert qu'il abritait une bande plate qui est unique à plusieurs égards.
"Il s'avère que les deux types de physique sont importants dans ce matériau", a déclaré Yi. "L'aspect frustration géométrique était là, comme la théorie l'avait prédit. La bonne surprise a été qu'il y avait aussi des effets de corrélation qui ont produit la bande plate au niveau de Fermi, où elle peut participer activement à la détermination des propriétés physiques."
Dans la matière solide, les électrons occupent des états quantiques divisés en bandes. Ces bandes électroniques peuvent être imaginées comme des barreaux sur une échelle, et la répulsion électrostatique limite le nombre d’électrons pouvant occuper chaque barreau. Le niveau de Fermi, une propriété inhérente aux matériaux et cruciale pour déterminer leur structure de bande, fait référence au niveau d'énergie de la position occupée la plus élevée sur l'échelle.
Qimiao Si, physicien théoricien de Rice et auteur co-correspondant de l'étude, dont le groupe de recherche a identifié l'alliage cuivre-vanadium et sa structure cristalline de pyrochlore comme étant un hôte possible des effets de frustration combinés de la géométrie et des interactions électroniques fortes, a comparé cette découverte à la découverte d'un nouveau continent. .
"C'est le tout premier travail qui montre réellement non seulement cette coopération entre frustration géométrique et interactionnelle, mais aussi l'étape suivante, qui consiste à amener les électrons dans le même espace, au sommet de l'échelle (énergétique), où se trouvent les électrons. une chance maximale de leur réorganisation en de nouvelles phases intéressantes et potentiellement fonctionnelles", a déclaré Si.
Il a déclaré que la méthodologie prédictive ou le principe de conception utilisé par son groupe de recherche dans l'étude pourrait également s'avérer utile aux théoriciens qui étudient les matériaux quantiques avec d'autres structures de réseau cristallin.
"Le pyrochlore n'est pas le seul jeu en ville", a déclaré Si. "Il s'agit d'un nouveau principe de conception qui permet aux théoriciens d'identifier de manière prédictive les matériaux dans lesquels des bandes plates apparaissent en raison de fortes corrélations électroniques."
Yi a expliqué qu'il y a également beaucoup de place pour une exploration expérimentale plus approfondie des cristaux de pyrochlore.
"Ce n'est que la pointe de l'iceberg", a-t-elle déclaré. "Il s'agit de 3D, ce qui est nouveau, et compte tenu du nombre de découvertes surprenantes qui ont été faites sur les réseaux de Kagome, j'imagine qu'il pourrait y avoir des découvertes tout aussi, voire plus passionnantes, à faire sur les matériaux pyrochlore."
L'équipe de recherche comprenait 10 chercheurs Rice issus de quatre laboratoires. Le groupe de recherche du physicien Pengcheng Dai a produit les nombreux échantillons nécessaires à la vérification expérimentale, et le groupe de recherche de Boris Yakobson du Département de science des matériaux et de nano-ingénierie a effectué des calculs de premier principe qui ont quantifié les effets de bande plate produits par la frustration géométrique.
Les expériences ARPES ont été menées à Rice et à la source lumineuse de rayonnement synchrotron de Stanford du Laboratoire national des accélérateurs du SLAC en Californie et à la source de lumière synchrotron nationale II du Laboratoire national de Brookhaven à New York, et l'équipe comprenait des collaborateurs du SLAC, de Brookhaven et de l'Université de Washington.
Plus d'informations : Jianwei Huang et al, Comportement des liquides non Fermi dans un réseau de pyrochlore à bande plate corrélé, Nature Physics (2024). DOI :10.1038/s41567-023-02362-3
Informations sur le journal : Physique de la nature
Fourni par l'Université Rice
