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Physicists trap electrons in a 3D crystal for the first time

aDes physiciens piègent pour la première fois des électrons dans un cristal 3D

par le Massachusetts Institute of Technology

Les physiciens du MIT ont piégé des électrons dans un cristal pur, marquant ainsi la première réalisation d'une bande plate électronique dans un matériau tridimensionnel. Cet état électronique rare est dû à un arrangement cubique spécial d'atomes (photo) qui ressemble à l'art japonais du « kagome ». Les résultats offrent aux scientifiques une nouvelle façon d’explorer les états électroniques rares dans les matériaux 3D. Crédit : Joseph Checkelsky, Riccardo Comin et al.

Les électrons se déplacent à travers un matériau conducteur comme les navetteurs aux heures de pointe de Manhattan. Les particules chargées peuvent se bousculer et se cogner les unes contre les autres, mais pour la plupart, elles ne se soucient pas des autres électrons lorsqu'elles se précipitent, chacune avec sa propre énergie.

Mais lorsque les électrons d’un matériau sont piégés ensemble, ils peuvent se stabiliser dans le même état énergétique et se comporter comme un seul. En physique, cet état collectif, semblable à un zombie, est connu sous le nom de « bande plate » électronique. Les scientifiques prédisent que lorsque les électrons sont dans cet état, ils peuvent commencer à ressentir les effets quantiques des autres électrons et agir de manière quantique coordonnée. Des comportements exotiques tels que la supraconductivité et des formes uniques de magnétisme pourraient alors émerger.

Aujourd’hui, les physiciens du MIT ont réussi à piéger des électrons dans un cristal pur. C'est la première fois que des scientifiques réalisent une bande plate électronique dans un matériau tridimensionnel. Avec quelques manipulations chimiques, les chercheurs ont également montré qu’ils pouvaient transformer le cristal en un supraconducteur, un matériau qui conduit l’électricité sans résistance.

La géométrie atomique du cristal rend possible l’état piégé des électrons. Le cristal, synthétisé par les physiciens, possède un agencement d'atomes qui ressemble aux motifs tissés du « kagome », l'art japonais du tressage de paniers. Dans cette géométrie spécifique, les chercheurs ont découvert que les électrons étaient « en cage », plutôt que de sauter entre les atomes et de s'installer dans la même bande d'énergie.

Les chercheurs affirment que cet état de bande plate peut être réalisé avec pratiquement n’importe quelle combinaison d’atomes, à condition qu’ils soient disposés selon cette géométrie 3D inspirée du kagome. Les résultats de Nature offrent aux scientifiques une nouvelle façon d’explorer les états électroniques rares dans les matériaux tridimensionnels. Ces matériaux pourraient un jour être optimisés pour permettre des lignes électriques ultra-efficaces, des bits quantiques de calcul intensif et des appareils électroniques plus rapides et plus intelligents.

"Maintenant que nous savons que nous pouvons créer une bande plate à partir de cette géométrie, nous sommes très motivés pour étudier d'autres structures qui pourraient avoir une nouvelle physique qui pourrait constituer une plate-forme pour de nouvelles technologies", déclare l'auteur de l'étude Joseph Checkelsky, professeur agrégé de physique. .

Poser un piège en 3D

Ces dernières années, les physiciens ont réussi à piéger des électrons et à confirmer leur état électronique en bande plate dans des matériaux bidimensionnels. Cependant, les scientifiques ont découvert que les électrons piégés dans deux dimensions peuvent facilement s’échapper de la troisième, ce qui rend les états de bande plate difficiles à maintenir en 2D.

Dans leur nouvelle étude, Checkelsky, Comin et leurs collègues ont cherché à réaliser des bandes plates dans des matériaux 3D, de telle sorte que les électrons seraient piégés dans les trois dimensions et que tout état électronique exotique pourrait être maintenu de manière plus stable. Ils avaient l’idée que les modèles kagome pourraient jouer un rôle.

Lors de travaux antérieurs, l’équipe a observé des électrons piégés dans un réseau d’atomes bidimensionnel qui ressemblait à certains modèles de kagome. Lorsque les atomes étaient disposés selon un motif de triangles interconnectés partageant des coins, les électrons étaient confinés dans l’espace hexagonal entre les triangles, plutôt que de sauter à travers le réseau. Mais, comme d’autres, les chercheurs ont découvert que les électrons pouvaient s’échapper du réseau, à travers la troisième dimension.

L’équipe s’est demandée : une configuration 3D de réseaux similaires pourrait-elle fonctionner pour enfermer les électrons ? Ils ont cherché une réponse dans les bases de données de structures matérielles et sont tombés sur une certaine configuration géométrique d'atomes, généralement classés comme pyrochlore, un type de minéral avec une géométrie atomique hautement symétrique. La structure 3D des atomes du pychlore formait un motif répétitif de cubes, la face de chaque cube ressemblant à un réseau semblable à un kagome. Ils ont découvert qu’en théorie, cette géométrie pouvait piéger efficacement les électrons dans chaque cube.

Atterrissages rocheux

Pour tester cette hypothèse, les chercheurs ont synthétisé un cristal de pyrochlore en laboratoire.

"Ce n'est pas différent de la façon dont la nature fabrique des cristaux", explique Checkelsky. "Nous réunissons certains éléments - dans ce cas, le calcium et le nickel - les faisons fondre à des températures très élevées, les refroidissons, et les atomes s'organiseront d'eux-mêmes dans cette configuration cristalline semblable à celle d'un kagome."

Ils ont ensuite mesuré l’énergie des électrons individuels dans le cristal pour voir s’ils tombaient dans la même bande plate d’énergie. Pour ce faire, les chercheurs effectuent généralement des expériences de photoémission, dans lesquelles ils projettent un seul photon de lumière sur un échantillon, qui à son tour émet un seul électron. Un détecteur peut alors mesurer avec précision l’énergie de cet électron individuel.

Les scientifiques ont utilisé la photoémission pour confirmer les états de bande plate dans divers matériaux 2D. En raison de leur nature physiquement plate et bidimensionnelle, ces matériaux sont relativement simples à mesurer à l’aide d’une lumière laser standard. Mais pour les matériaux 3D, la tâche est plus ardue.

"Pour cette expérience, vous avez généralement besoin d'une surface très plane", explique Comin. "Mais si vous regardez la surface de ces matériaux 3D, ils ressemblent aux montagnes Rocheuses, avec un paysage très ondulé. Les expériences sur ces matériaux sont très difficiles, et c'est en partie la raison pour laquelle personne n'a démontré qu'ils hébergent des électrons piégés. ".

L’équipe a surmonté cet obstacle grâce à la spectroscopie de photoémission à résolution angulaire (ARPES), un faisceau de lumière ultrafocalisé capable de cibler des emplacements spécifiques sur une surface 3D inégale et de mesurer les énergies électroniques individuelles à ces emplacements.

"C'est comme faire atterrir un hélicoptère sur de très petites plates-formes, dans un paysage rocheuxautour", explique Comin.

Avec ARPES, l’équipe a mesuré les énergies de milliers d’électrons sur un échantillon de cristal synthétisé en une demi-heure environ. Ils ont constaté que, dans leur écrasante majorité, les électrons du cristal présentaient la même énergie, confirmant l’état de bande plate du matériau 3D.

Pour voir s'ils pouvaient manipuler les électrons coordonnés dans un état électronique exotique, les chercheurs ont synthétisé la même géométrie cristalline, cette fois avec des atomes de rhodium et de ruthénium au lieu de nickel. Sur papier, les chercheurs ont calculé que cet échange chimique devrait déplacer la bande plate des électrons vers une énergie nulle, un état qui conduit automatiquement à la supraconductivité.

En effet, ils ont découvert que lorsqu'ils synthétisaient un nouveau cristal avec une combinaison d'éléments légèrement différente, dans la même géométrie 3D de type kagome, les électrons du cristal présentaient une bande plate, cette fois dans des états supraconducteurs.

"Cela présente un nouveau paradigme pour réfléchir à la manière de trouver de nouveaux matériaux quantiques intéressants", explique Comin. "Nous avons montré qu'avec cet ingrédient spécial de cet arrangement atomique capable de piéger les électrons, nous trouvons toujours ces bandes plates. Ce n'est pas seulement un coup de chance. À partir de ce moment, le défi est d'optimiser pour tenir la promesse des bandes plates. matériaux, potentiellement pour maintenir la supraconductivité à des températures plus élevées.

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COMMENTAIRES 

Je me réjouis de cette découvertes du MITY  mais comptenu des difficultes a surmoner le ne suis pas sur qu 'il en émerge une extansioob de supra conductibilté ondustrielle possible ...Et c est là  précisemment  que beaucoup se penchent  ;le supra conducteur é conomique  a température ambiante 

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More information: Joseph Checkelsky et al, Three-dimensional flat bands in pyrochlore metal CaNi2, Nature (2023). DOI: 10.1038/s41586-023-06640-1. www.nature.com/articles/s41586-023-06640-1

Journal information: Nature 

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