Des chercheurs de l’Université Rice ont découvert un nouveau métal cristallin 3D qui verrouille les électrons en place grâce à une interaction unique entre les corrélations quantiques et la structure géométrique du matériau. Cette découverte met en évidence le rôle des bandes électroniques plates dans la détermination des propriétés d’un matériau et ouvre la voie à de nouvelles explorations des matériaux quantiques dotés de structures de réseau de pyrochlore. Crédit : Issues.fr.com
Une nouvelle recherche valide la méthode de découverte guidée de matériaux à bande plate 3D.
Des 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 Physique naturelle. L’article décrit également le principe de conception théorique et la méthodologie expérimentale qui ont guidé l’équipe de recherche vers le matériau. Une part de cuivre, deux parts de vanadium et quatre parts de soufre, le alliage présente un réseau de pyrochlore 3D composé de tétraèdres partageant des coins.
Intrication quantique et localisation des électrons
« 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.
Jianwei Huang, chercheur postdoctoral à l’Université Rice, utilise l’appareil de laboratoire qu’il a utilisé pour mener des expériences de spectroscopie de photoémission à résolution angulaire sur un alliage cuivre-vanadium. Les expériences ont montré que cet alliage est le premier matériau connu dans lequel la structure cristalline 3D et de fortes interactions quantiques entravent le mouvement des électrons et les verrouillent en place, ce qui donne lieu à une bande électronique plate. Crédit : Jeff Fitlow/Université Rice
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.
Techniques avancées et découvertes surprenantes
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 également 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. »
Jian Wei Huang. Crédit : Jeff Fitlow/Université Rice
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, 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.
Aperçus théoriques et orientations futures
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 vraiment 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 trouve un 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 déclaré qu’il y avait 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 dans 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 quantifiaient les effets de bande plate produits par la frustration géométrique. Les expériences ARPES ont été menées à Rice et à la source de lumière de rayonnement synchrotron de Stanford du SLAC National Accelerator Laboratory en Californie et à la source de lumière synchrotron nationale II du Brookhaven National Laboratory à New York, et l’équipe comprenait des collaborateurs du SLAC, de Brookhaven et du Université de Washington.
La recherche a utilisé des ressources financées par un contrat du Département de l’énergie (DOE) avec le SLAC (DE-AC02-76SF00515) et a été financée par des subventions de l’Initiative sur les phénomènes émergents dans les systèmes quantiques de la Fondation Gordon et Betty Moore (GBMF9470), du Robert A. Welch. Foundation (C-2175, C-1411, C-1839), l’Office of Basic Energy Sciences du DOE (DE-SC0018197), l’Air Force Office of Scientific Research (FA9550-21-1-0343, FA9550-21-1- 0356), la National Science Foundation (2100741), l’Office of Naval Research (ONR) (N00014-22-1-2753) et le programme de bourses de recherche Vannevar Bush géré par l’ONR du Bureau de recherche fondamentale du ministère de la Défense (ONR-VB). N00014-23-1-2870).
