La transition métal-isolant – un processus qui transforme les matériaux de conducteur en isolant – a été un processus crucial derrière les commutateurs microélectroniques, la mémoire non volatile et les matériaux informatiques neuromorphiques. Dans de nombreux cas, cette transition s'accompagne de changements drastiques dans la symétrie électronique ou structurelle du matériau, qui peuvent entraîner d'autres modifications involontaires des propriétés du matériau. On souhaite donc réaliser une telle transition sans rompre la symétrie des matériaux.
Le professeur Yu He a dirigé une étude publiée dans Physical Review Research , cela met plus clairement l'accent sur la façon dont ces transitions peuvent avoir lieu sans rompre aucune symétrie dans ces matériaux.
Lui et ses collaborateurs ont découvert qu'un fort couplage entre des électrons et un réseau atomique vibrant peut amener un métal à devenir un isolant sans qu'il soit nécessaire de perturber le motif de réseau statique. Cette découverte révèle une nouvelle voie vers une transition qui était auparavant considérée comme inductible uniquement par de fortes interactions coulombiennes électron-électron.
"La transition métal-isolant est un thème récurrent dans la recherche en physique de la matière condensée, car elle implique souvent que les électrons changent leurs propres règles d'organisation entre deux états fondamentalement différents", a déclaré He, professeur adjoint de physique appliquée. Pour « tromper » le matériau dans une telle transition sans encourir de perturbation dans sa symétrie sous-jacente, la clé ici est d'exploiter les fluctuations massives des positions atomiques lorsque le matériau est quasi unidimensionnel.
"Pour le dire en termes simples, le matériau doit avoir un motif de structure cristalline en forme de chaîne. C'est ainsi que nous avons trouvé le matériau en forme d'aiguille Ta2 NiSe5 ."
L'interaction coulombienne électron-électron et le couplage électron-réseau peuvent donner lieu à des transitions métal-isolant en l'absence de toute symétrie brisée. Mais pour cerner la contribution dominante, dit-il, il est également crucial de déterminer les interactions efficaces dans chaque secteur. "La détermination quantitative des paramètres d'interaction dans l'équation de Schrödinger des matériaux réels a été une tâche très difficile."
Pour leur sujet, lui et son équipe de recherche ont lancé une attaque coordonnée du côté expérimental et théorique. La combinaison de la spectroscopie de photoémission à résolution angulaire in situ et de la diffraction des rayons X a fourni aux chercheurs une vue microscopique directe du comportement électronique et atomique du matériau.
Intégrés à des calculs de modèles avancés en collaboration avec le professeur Yao Wang et son équipe de l'Université Emory, les chercheurs ont pu générer directement une « représentation numérique » efficace du matériau qui capture presque toutes ses propriétés physiques non conventionnelles, y compris la préservation de la symétrie. transition métal-isolant, induite par le couplage électronique à des fluctuations massives du réseau.
Dans la plupart des matériaux massifs, les atomes sont si lourds et lents que lorsqu'ils vibrent, les électrons (qui représentent moins de 1/1000 de la masse atomique) peuvent presque toujours les suivre instantanément. C'est ce qu'on appelle l'approximation de Born-Oppenheimer ("Oui, l'Oppenheimer", dit-il).
"Cependant, lorsque les matériaux sont quasi unidimensionnels, le réseau atomique fluctue souvent violemment, et parfois les électrons ne peuvent plus suivre toutes les torsions faites par les atomes", a-t-il déclaré. "Puis ils lèvent les mains en l'air et disent 'OK, j'arrête'. C'est alors que vous obtenez un isolant. Mais les atomes n'ont pas encore rompu toute symétrie :ils oscillent simplement autour de leur position statique d'origine. "
Il note qu'avec le développement rapide de la spectroscopie avancée et des méthodes informatiques modernes, ces travaux ne révèlent pas seulement les fluctuations de faible dimension comme une source largement inexploitée pour concevoir de nouvelles propriétés dans les matériaux quantiques. Il offre également un cadre plus général pour « séquencer le génome des matériaux » en mesurant directement les forces des interactions microscopiques dans des modèles quantiques minimaux à N corps de ces matériaux.
"Une fois que nous aurons leur ADN quantique en main, ces matériaux complexes seront beaucoup plus faciles à apprivoiser pour l'ingénierie prédictive des matériaux", a-t-il déclaré.
Plus d'informations : Cheng Chen et al, Rôle du couplage électron-phonon dans le candidat isolant excitonique Ta2 NiSe5 , Recherche sur l'examen physique (2023). DOI :10.1103/PhysRevResearch.5.043089
Informations sur le journal : Recherche sur l'examen physique
Fourni par l'Université de Yale
