Une découverte inédite dans le domaine des matériaux quantiques

Dans l’univers des matériaux quantiques, une équipe de l’Université Rice vient de mettre en lumière un matériau cristallin tridimensionnel aux propriétés électroniques singulières. Cette découverte, qui pourrait ouvrir la voie à de nouvelles phases de la matière, est le fruit d’une recherche pointue alliant théorie et expérimentation.

Des scientifiques de l’Université Rice ont identifié un matériau inédit : un métal cristallin tridimensionnel où les corrélations quantiques et la géométrie de la structure cristalline entravent le mouvement des électrons, les immobilisant ainsi.

Cette découverte est le sujet central d’une publication dans la revue Nature Physics.

Le matériau, composé d’une partie de cuivre, deux parties de vanadium et quatre parties de soufre, présente une structure de réseau pyrochlore en 3D, caractérisée par des tétraèdres partageant leurs sommets.

La quête de nouveaux états de la matière

« Notre recherche se concentre sur la découverte de matériaux susceptibles de révéler de nouveaux états de la matière ou des caractéristiques exotiques encore inexplorées », explique Ming Yi, physicienne expérimentale à Rice et co-auteure correspondante de l’étude.

Les matériaux quantiques, en particulier ceux qui favorisent de fortes interactions électroniques conduisant à l’entanglement quantique, sont des candidats prometteurs. L’entanglement peut induire des comportements électroniques atypiques, tels que l’immobilisation des électrons.

Une analogie ondulatoire pour comprendre l’effet

« Cet effet d’interférence quantique est comparable à des ondes se propageant à la surface d’un étang et se rencontrant frontalement », déclare Yi. « La collision crée une onde stationnaire qui ne se déplace pas. Dans le cas des matériaux à réseau géométriquement frustré, ce sont les fonctions d’onde électroniques qui interfèrent destructivement. »

En utilisant une technique expérimentale nommée spectroscopie de photoémission résolue en angle, ou ARPES, Yi et Jianwei Huang, chercheur postdoctoral dans son laboratoire, ont détaillé la structure de bande du matériau cuivre-vanadium-soufre et ont découvert qu’il hébergeait une bande plate unique à plusieurs égards.

« Il s’avère que les deux types de physique, géométrique et de corrélation, sont importants dans ce matériau », ajoute la chercheuse. « La frustration géométrique était attendue, comme l’avait prédit la théorie. La surprise agréable fut la présence d’effets de corrélation qui ont produit la bande plate au niveau de Fermi, où elle peut activement influencer les propriétés physiques du matériau. »

En synthèse

La découverte de ce matériau cristallin tridimensionnel représente une étape significative dans la compréhension des matériaux quantiques. La coopération entre la frustration géométrique et les interactions électroniques fortes ouvre des perspectives de recherche pour l’identification de nouvelles phases de la matière. La méthodologie prédictive développée pourrait également s’avérer précieuse pour l’étude d’autres structures de cristaux quantiques.

Pour une meilleure compréhension

Qu’est-ce qu’un réseau pyrochlore ?

Un réseau pyrochlore est une structure cristalline composée de tétraèdres connectés par leurs sommets, formant un motif tridimensionnel complexe.

Comment la frustration géométrique influence-t-elle les propriétés électroniques ?

La frustration géométrique survient lorsque la disposition des atomes dans un cristal empêche les électrons de se répartir de manière optimale, ce qui peut conduire à l’immobilisation des électrons et à la formation de bandes plates.

Qu’est-ce que le niveau de Fermi ?

Le niveau de Fermi est l’énergie la plus élevée occupée par les électrons dans un matériau à zéro degré Kelvin. Il joue un rôle crucial dans la détermination de la structure de bande d’un matériau.

En quoi consiste la spectroscopie de photoémission résolue en angle (ARPES) ?

L’ARPES est une technique qui permet de mesurer la structure de bande électronique d’un matériau en analysant les électrons éjectés lorsque le matériau est exposé à la lumière ultraviolette.

Quelles sont les implications de cette découverte ?

Cette découverte pourrait mener à l’identification de nouvelles phases de la matière avec des propriétés physiques inédites, potentiellement utiles pour les technologies futures.

Références

Légende illustration : Jianwei Huang, chercheur postdoctoral à l’université Rice, avec l’appareil de laboratoire qu’il a utilisé pour réaliser des expériences de spectroscopie de photoémission résolue en angle sur un alliage de cuivre et de vanadium. Les expériences ont montré que l’alliage est le premier matériau connu dans lequel la structure cristalline en 3D et les fortes interactions quantiques empêchent le mouvement des électrons et les bloquent sur place, ce qui donne une bande électronique plate. Crédit : Photo by Jeff Fitlow/Rice University

Article : « Non-Fermi liquid behaviour in a correlated flat-band pyrochlore lattice » – DOI: 10.1038/s41567-023-02362-3