Les atomes sphériques ont la symétrie géométrique la plus élevée, et présentent ainsi la grande multiplicité des états quantiques, généralement appelée dégénérescence. On a longtemps cru qu'aucune espèce polyatomique ne pouvait dépasser une sphère en raison de limitations géométriques. Cependant, un tétraèdre gonflé présente une dégénérescence anormale dépassant les atomes sphériques. Crédit: Communication Nature
Des scientifiques de l'Institut de technologie de Tokyo ont démontré théoriquement que les nanostructures tétraédriques spéciales composées de certains métaux ont un degré de symétrie plus élevé que la symétrie géométrique des atomes sphériques. Des nanomatériaux aux propriétés électriques et magnétiques uniques et sans précédent résultant de cette symétrie seront développés et utilisés pour les appareils électroniques de nouvelle génération.
Étudier la symétrie, l'un des concepts les plus fondamentaux de la physique et de la chimie, peut faciliter une meilleure compréhension des lois qui façonnent notre univers.
Les atomes ont naturellement le plus haut degré de symétrie géométrique, correspondant à la symétrie sphérique. Une propriété intéressante résultant souvent de la symétrie est un degré élevé de dégénérescence - une caractéristique des niveaux d'énergie quantique dans lesquels un niveau d'énergie donné peut correspondre simultanément à deux ou plusieurs états différents dans un système quantique. La dégénérescence donne lieu à des propriétés comprenant une conductivité et un magnétisme élevés, qui pourraient être exploités pour créer de nouveaux matériaux électroniques. Malheureusement, étant donné les limitations de la symétrie géométrique, aucune substance n'est connue pour avoir un degré de dégénérescence plus élevé que les atomes sphériques (Fig. 1). Mais que se passerait-il si les substances pouvaient avoir un type de symétrie différent conduisant à un degré de dégénérescence plus élevé ? Comment expliquer une telle symétrie ?
Des chercheurs de l'Institut de technologie de Tokyo, dont le professeur Kimihisa Yamamoto, a cherché à démontrer l'existence de métaux avec de tels types de symétrie. L'équipe a déduit que des structures tétraédriques gonflées spéciales faites d'atomes métalliques spécifiques, comme le zinc et le magnésium, peut avoir un type particulier de symétrie résultant non pas de propriétés géométriques mais des caractéristiques dynamiques du système. "Nous avons démontré que le magnésium réaliste, zinc, et les amas de cadmium ayant une charpente tétraédrique spécifique possèdent des dégénérescences anormales à un facteur plus élevé que la symétrie sphérique, " explique Yamamoto.
L'équipe a utilisé une analyse de modèle à liaison étroite, validé avec des calculs de la théorie fonctionnelle de la densité, identifier la condition générale concernant les interactions de liaison entre les atomes (les "intégrales de transfert") donnant lieu à la symétrie dynamique prédite. "Étonnamment, la condition de dégénérescence peut être représentée comme une séquence mathématique élégante de racine carrée impliquant les rapports des intégrales de transfert (Fig. 2). Il est également impressionnant que cette séquence ait déjà été découverte par Théodore dans la Grèce antique, indépendamment de la science des matériaux, " dit Yamamoto.
Cette recherche a démontré que des nanomatériaux avec un degré de symétrie supérieur à celui des atomes sphériques peuvent être réalisés. Les états quantiques super-dégénérés résultant de cette symétrie dynamique pourraient être exploités de multiples façons, comme la conception de nouveaux matériaux avec une conductivité ou des propriétés magnétiques sans précédent, annonçant la prochaine génération d'appareils électroniques.
