Changer de direction : Une équipe de chercheurs découvre une chiralité électronique commutable dans un supraconducteur achiral de type Kagome

Une équipe de recherche internationale dirigée par le Département de la matière quantique microstructurée du MPSD rapporte la première observation de transport chiral commutable dans un cristal structurellement achiral, le supraconducteur Kagome CsV₃Sb₅. Ses travaux ont été publiés dans la revue Nature.

Le fait qu'un objet soit indiscernable ou non de son image miroir a des conséquences importantes sur son comportement physique. Disons que vous regardez un joueur de basket-ball dans un miroir. À première vue, le ballon, le joueur et son environnement sont identiques dans le miroir et dans la réalité. Mais si on les observe de près, certains détails sont différents. La balle dans la main droite du joueur apparaît maintenant dans sa main gauche dans le miroir. Bien que l'image miroir montre toujours la même main, elle est clairement passée de la main gauche à la main droite ou vice versa. De nombreux autres objets physiques ont également des images miroir qui diffèrent sur un aspect essentiel, tout comme les mains, c'est pourquoi les scientifiques les appellent les mains ou chirales (du grec χϵρι = main). D'autres, comme la balle, ne peuvent être distingués de leur image miroir, ce qui les rend achiraux.

La chiralité est l'une des propriétés géométriques les plus fondamentales et joue un rôle particulier en biologie, en chimie et en physique. Elle peut provoquer des effets surprenants : Une version de la molécule de carvone, par exemple, produit une odeur de menthe verte, mais son équivalent chiral - en miroir - sent le carvi.

En science des matériaux, on distingue les cristaux dans lesquels l'arrangement périodique des atomes est chiral ou non. S'il l'est, les électrons et les courants électriques qui y circulent doivent également différer d'une manière ou d'une autre de leur image miroir, une propriété qui peut conduire à des réponses exotiques et à de nouvelles applications. Un exemple est un effet de type diode où les courants électriques circulant de gauche à droite sont différents de ceux circulant de droite à gauche, une propriété appelée anisotropie magnéto-chirale électronique (eMChA). Jusqu'à présent, ce phénomène n'a été observé que dans des cristaux structurellement chiraux.

Aujourd'hui, une équipe de recherche internationale a rapporté la première observation de ce transport chiral dans un cristal structurellement achiral, le supraconducteur Kagome CsV3Sb5. Ses travaux ont été publiés dans la revue Nature. L'équipe comprenait des scientifiques du MPSD et de l'Institut Max Planck de physique chimique des solides (Allemagne), de l'EPFL et de l'Université de Zurich en Suisse, de l'Université du Pays basque (Espagne) et de l'Université de Qingdao en Chine.

L'énigme quantique est aussi simple que profonde : si les positions atomiques dans le cristal sont les mêmes que dans leur image miroir, comment est-il possible que ses électrons ne le soient pas ? Il est clair qu'un nouveau mécanisme, au-delà d'un simple effet de forme comme dans nos mains, doit être en jeu. Contrairement à la chiralité structurelle, qui est aussi fermement imprimée dans un cristal que dans une main humaine, cette nouvelle chiralité électronique peut être commutée à l'aide de champs magnétiques. La chiralité commutable n'a jamais été observée auparavant et pourrait bien trouver son application dans les technologies futures.

Il est clair que ce comportement inhabituel est directement lié aux fortes interactions électroniques. L'équipe propose un modèle dans lequel les électrons s'arrangent selon des motifs qui violent la symétrie miroir, même si les atomes sont disposés symétriquement.

Le CsV₃Sb₅ est déjà connu pour de nombreuses structures électroniques interactives de ce type, comme la formation d'un ordre de charge chiral non conventionnel présentant une modulation de charge alléchante. Ces structures électroniques chirales peuvent tourner spontanément, provoquant une réponse magnétique orbitale associée à un comportement connu sous le nom de " courants de boucle ", comme décrit par C. Mielke et al. dans Nature 2022.

CsV₃Sb₅ semble être un fantastique bac à sable pour sonder les phénomènes quantiques corrélés, y compris le premier exemple de chiralité électronique commutable. Les prochaines étapes comprennent l'augmentation de la plage opérationnelle de la température cryogénique à la température ambiante et l'amélioration de l'ampleur de cette réponse. Il est clair que les systèmes en interaction sur des treillis géométriquement frustrés ont encore beaucoup à offrir.