Les chercheurs ont découvert de nouveaux phénomènes dans un échantillon ultra-propre de SrVO3, remettant en question les théories existantes sur les corrélations électroniques dans les métaux. Crédit : Issues.fr.com
De nouvelles découvertes suggèrent la nécessité de réévaluer les théories actuelles sur les interactions électroniques, conduisant à une meilleure compréhension des propriétés magnétiques, de la supraconductivité à haute température et du comportement des métaux transparents.
Des chercheurs ont dévoilé des phénomènes inédits dans un échantillon ultra-propre du métal corrélé SrVO3 dans un article publié le 24 juin dans la revue Communications naturellesL’étude offre des perspectives expérimentales qui remettent en question les modèles théoriques dominants de ces métaux inhabituels.
L'équipe de recherche internationale – de l'Institut Paul Drude d'électronique à semi-conducteurs (PDI), Allemagne ; Laboratoire national d'Oak Ridge (ORNL) ; Université d'État de Pennsylvanie ; Université de Pittsburgh ; l'Institut quantique de Pittsburgh ; et l'Université du Minnesota – estime que leurs découvertes inciteront à une réévaluation des théories actuelles sur les effets de corrélation électronique, mettant en lumière les origines de phénomènes précieux dans ces systèmes, notamment les propriétés magnétiques, la supraconductivité à haute température et les caractéristiques uniques de phénomènes hautement inhabituels. métaux transparents.
Les propriétés particulières des liquides Fermi
Le matériau oxyde de pérovskite SrVO3 est classé comme liquide de Fermi, un état décrivant un système d'électrons en interaction dans un métal à des températures suffisamment basses. Dans les métaux conventionnels, les électrons qui conduisent l’électricité se déplacent de manière indépendante, communément appelé gaz de Fermi. En revanche, les liquides de Fermi présentent des interactions mutuelles significatives entre les électrons, ce qui signifie que le mouvement d’un électron influence fortement les autres.
Ce comportement collectif peut conduire à des propriétés électroniques uniques avec de profondes applications technologiques, fournissant un aperçu des interactions entre les électrons dans les métaux corrélés. VOsr3 sert de système modèle idéal pour étudier les phénomènes de corrélation électronique en raison de sa simplicité cristalline et électronique. Cette simplicité est cruciale pour comprendre des phénomènes complexes tels que l’ordre magnétique ou la supraconductivité, qui peuvent compliquer les études théoriques et expérimentales.
Faire circuler l’électricité à travers les matériaux est un moyen simple de comprendre leurs propriétés. Les mesures de SrVO3 ultrapropre présentées schématiquement à gauche dans le dispositif à barre de Hall et l'image de microscopie électronique donnent un nouvel aperçu des phénomènes fondamentaux trouvés dans les matériaux électroniques corrélés. Ceci contraste avec le SrVO3 qui est dense en défauts (à droite). La qualité des matériaux se manifeste dans la résistivité en fonction de la température, le rapport de la résistivité à température ambiante à basse température, RRR, indiquant la qualité, indiqué sur le graphique. Crédit : ORNL
L'impact de la pureté des matériaux sur la précision expérimentale
Un autre facteur crucial dans la compréhension des résultats expérimentaux qui guident les modèles théoriques des effets de corrélation électronique est la présence ou l’absence de défauts dans le matériau lui-même. Le Dr Roman Engel-Herbert, responsable de l'étude et directeur du PDI à Berlin, a déclaré : « Si vous voulez aller au fond de l'un des secrets les mieux gardés de la physique de la matière condensée, alors vous devez l'étudier dans sa forme la plus pure ; en l’absence de toute perturbation extrinsèque. Des matériaux de haute qualité, pratiquement exempts de défauts, sont essentiels. Il faut synthétiser des matériaux ultra-propres.
Obtenir un échantillon de SrVO sans défaut3 a été jusqu’à présent un défi apparemment insurmontable. En employant une technique innovante de croissance de couches minces qui combine les avantages de l’épitaxie par jet moléculaire et du dépôt chimique en phase vapeur, l’équipe a atteint un niveau de pureté des matériaux sans précédent.
Le Dr Matt Brahlek, premier auteur de l'étude publiée aujourd'hui, quantifie l'amélioration : « Une mesure simple de la pureté du matériau est le rapport entre la facilité avec laquelle l'électricité circule à température ambiante et à basse température, appelé rapport de résistivité résiduelle, valeur RRR. Si le métal contient de nombreux défauts, les valeurs RRR sont faibles, généralement autour de 2 à 5. Nous avons pu synthétiser du SrVO3 des films avec un RRR près de 100 fois plus grand, 200, ouvrant la porte à l'étude des véritables propriétés du métal corrélé SrVO3. En particulier, la haute qualité des matériaux a permis pour la première fois d’accéder à un régime spécial de champs magnétiques élevés, où des surprises ont été trouvées.
Des découvertes sans précédent remettent en question les théories établies
L’équipe interdisciplinaire de scientifiques a été surprise de découvrir une série de phénomènes de transport particuliers qui contrastaient fortement avec les propriétés de transport mesurées précédemment sur des échantillons hautement défectueux. Leurs découvertes remettent en question le consensus scientifique de longue date concernant la SrVO3 comme un simple liquide Fermi.
Engel-Herbert explique : « Cette situation était très excitante mais aussi déroutante. Bien que nous ayons reproduit le comportement de transport précédemment signalé de SrVO3 dans nos échantillons hautement défectueux, les mesures identiques dans les échantillons ultra-propres avec des valeurs RRR élevées différaient. Les résultats des échantillons défectueux ont permis une interprétation simple des résultats qui correspondaient aux attentes théoriques. Ces résultats ont été utilisés comme preuve expérimentale que la compréhension théorique a correctement capturé les effets de corrélation électronique dans SrVO.3. Cependant, l’équipe a constaté que les mesures effectuées sur les échantillons ultra-propres ne pouvaient pas être expliquées aussi facilement.
Brahlek a ajouté : « Une observation qui ressort est l’hypothèse selon laquelle le nombre d’électrons qui transportent l’électricité dans un métal est indépendant de la température et du champ magnétique. Cela est bien sûr vrai, mais l'interprétation de la quantité mesurée ne constitue pas une mesure directe de la concentration en porteurs. Cette quantité est plutôt mélangée à d’autres aspects des propriétés du matériau, tels que l’impact des défauts et de la température sur le flux d’électricité. Nous avons dû approfondir la physique pour comprendre ce que nous avons vu. C’est ce qui le rend si important et passionnant.
Les chercheurs pensent que leur découverte peut servir de base pour affiner les modèles théoriques et inciter à réexaminer les points de vue et interprétations établis sur les matériaux présentant une corrélation électronique importante.
Engel-Herbert déclare : « Notre travail en tant que physiciens expérimentateurs consiste à repousser les limites de la compréhension actuelle de la nature. C’est là que des découvertes peuvent être faites, là où nous faisons progresser la science. En tant que physicien de la matière condensée, il est essentiel de continuer à perfectionner notre objet d’étude en nous mettant au défi de repousser les limites du perfectionnement des matériaux. Cela peut potentiellement donner de nouvelles informations sur le comportement réel de cette classe de matériaux et permettre une explication complète des phénomènes mesurés et observés.
« Il faut une équipe interdisciplinaire d’experts pour y parvenir. Même si le travail n’est pas encore terminé, nos résultats offrent à la communauté scientifique l’occasion de réévaluer ses théories, de réexaminer les matériaux que nous pensions bien compris et de réévaluer leur potentiel d’application. »
L'équipe de recherche comprenait le responsable de l'étude, Roman Engel-Herbert, qui a conçu et conçu l'expérience avec le PI Matthew Brahlek (maintenant au Oak Ridge National Laboratory) qui a effectué la croissance, les mesures de magnétotransport et la modélisation ; Lei Zhang, Joseph D. Roth et Jason Lapano (Université d'État de Pennsylvanie) ont contribué à la croissance et à la caractérisation, Turan Birol (Université du Minnesota) a apporté un soutien théorique et Megan Briggeman, Patrick Irvin et Jeremy Levy de l'Université de Pittsburgh ont confirmé et validé les mesures de magnétotransport vers des champs magnétiques élevés. L'étude a été soutenue par le Département américain de l'Énergie et la National Science Foundation.
