Les chercheurs ont découvert un nouveau matériau quantique 2D, CeSiI, marquant la première instance de fermions lourds dans une structure 2D. Cette percée réalisée par les scientifiques d’Uppsala et de l’Université de Columbia ouvre la voie à des études avancées sur les phénomènes quantiques et au développement de matériaux dotés de propriétés quantiques adaptées.
Des chercheurs de l’Université d’Uppsala, ainsi que d’autres collaborateurs, ont découvert un nouveau matériau quantique 2D dans une étude récente publiée dans Nature. Ce matériau révolutionnaire est composé de couches atomiquement minces de cérium, de silicium et d’iode (CeSiI), marquant le premier exemple d’un matériau 2D contenant des fermions lourds.
« Les électrons du CeSiI se comportent comme s’ils avaient une masse jusqu’à 100 fois supérieure à celle des électrons des matériaux ordinaires. C’est pourquoi on les appelle fermions lourds. Ce qui est très spécial avec CeSiI, c’est que cette masse effective est anisotrope, et qu’elle dépend de la direction dans laquelle les électrons se déplacent dans les couches atomiques », explique Chin-Shen Ong, l’un des chercheurs d’Uppsala à l’origine de l’étude.
Chin-Shen Ong, chercheur au Département de physique et d’astronomie, Université d’Uppsala, Suède. Crédit : Université d’Uppsala
La recherche est une collaboration entre des chercheurs en théorie des matériaux de l’Université d’Uppsala et des chercheurs de Université de Colombie aux Etats-Unis. Pour les chercheurs en matériaux de l’Université d’Uppsala, le principal problème était d’étudier théoriquement les propriétés quantiques des électrons présents dans le matériau.
Contexte et importance des fermions lourds
Les composés de fermions lourds constituent une classe de matériaux dans lesquels les électrons interagissent les uns avec les autres de manière inhabituellement forte. Ce faisant, ils coordonnent leurs mouvements dans ce que l’on appelle des fluctuations quantiques. Cette interaction amène les électrons à se comporter comme s’ils avaient une masse jusqu’à 100 ou 1 000 fois supérieure à celle des électrons des matériaux ordinaires. On pense que ces fluctuations quantiques jouent un rôle important dans un certain nombre de phénomènes quantiques jusqu’à présent inexpliqués, tels que la supraconductivité non conventionnelle, où un courant électrique peut traverser un matériau sans perte d’énergie, et le magnétisme.
Le nouveau matériau quantique, synthétisé dans le laboratoire de l’Université de Columbia, est unique car il possède une structure cristalline de type 2D avec des couches fines et clairement séparées. Les couches sont constituées de cérium, de silicium et d’iode (CeSiI) et constituent le premier exemple de matériau 2D contenant des fermions lourds. L’étude est dirigée par l’Université d’Uppsala. Crédit : Chin-Shen Ong, Université d’Uppsala
La recherche sur les matériaux contenant des fermions lourds se poursuit depuis des décennies, mais jusqu’à présent, l’accent a été mis sur les matériaux dans lesquels les atomes sont étroitement regroupés dans une structure 3D. Dès les années 1970, des chercheurs de l’Université d’Uppsala se sont concentrés sur les matériaux à base de cérium, avec beaucoup de succès.
Cependant, le nouveau matériau, synthétisé dans le laboratoire de l’Université de Columbia, est unique car il possède une structure cristalline de type 2D avec des particules clairement séparées. atome-de fines couches. Les couches sont constituées de cérium, de silicium et d’iode (CeSiI) et constituent le premier exemple de matériau 2D contenant des fermions lourds.
« Grâce à cette découverte, nous disposons désormais d’une plate-forme matérielle considérablement améliorée pour étudier les structures électroniques corrélées. Les matériaux 2D sont comme un kit de construction avec des pièces LEGO. Nos partenaires travaillent déjà sur l’ajout de couches d’autres matériaux 2D pour créer un nouveau matériau doté de propriétés quantiques personnalisées », explique Chin-Shen Ong.
