BESSY II : Chaînes de phosphore - un matériau 1D avec des propriétés électroniques 1D
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Pour la première fois, BESSY II a réussi à mettre en évidence expérimentalement des propriétés électroniques unidimensionnelles dans un matériau. Les échantillons étaient constitués de courtes chaînes d'atomes de phosphore qui se forment de manière auto-organisée sur un substrat d'argent selon certains angles. Grâce à une évaluation raffinée, il a été possible de séparer les contributions des chaînes orientées différemment et de montrer que les propriétés électroniques ont effectivement un caractère unidimensionnel. Les calculs ont en outre montré qu'il fallait s'attendre à une transition de phase passionnante. Alors que le matériau constitué de chaînes individuelles est semi-conducteur, une structure de chaînes très dense serait métallique.
Le monde matériel est composé d'atomes qui se combinent pour former toutes sortes de substances différentes. En règle générale, ces atomes sont reliés entre eux à la fois dans un plan et perpendiculairement à celui-ci. Mais il peut en être autrement : les atomes de carbone peuvent ainsi former du graphène, un réseau hexagonal dans lequel ils ne sont reliés entre eux que dans un seul plan. De même, l'élément phosphore peut se réticuler en deux dimensions et former une forme stable en 2D. De tels matériaux bidimensionnels constituent un domaine de recherche passionnant, car ils possèdent des propriétés électroniques et optiques étonnantes. Des considérations théoriques montrent que les propriétés électro-optiques des structures unidimensionnelles pourraient être encore plus exotiques.
En fait, on parvient aussi depuis peu à fabriquer des structures unidimensionnelles. Dans certaines conditions, il est par exemple possible que des atomes de phosphore s'organisent comme par magie en courtes lignes sur un substrat d'argent. Morphologiquement, ces chaînes sont unidimensionnelles. Il faut toutefois supposer qu'elles interagissent latéralement avec d'autres chaînes. De telles interactions influencent la structure électronique et pourraient détruire l'unidimensionnalité. Jusqu'à présent, il n'était toutefois pas possible de mesurer cela proprement de manière expérimentale.
"Nous avons maintenant montré, grâce à une évaluation très approfondie des mesures effectuées à BESSY II, que de telles chaînes de phosphore possèdent réellement une structure électronique unidimensionnelle", explique le professeur Oliver Rader, qui dirige le département de spin et de topologie dans les matériaux quantiques au HZB.
Le Dr Andrei Varykhalov et son équipe ont d'abord fabriqué et caractérisé des chaînes de phosphore sur de l'argent à l'aide d'un microscope à effet tunnel cryogénique. Les images montrent que de courtes chaînes P se forment dans trois directions différentes sur le substrat, avec des angles de 120 degrés entre elles.
"Nous avons obtenu des résultats de très haute qualité à cet égard, nous avons ainsi pu observer au microscope à effet tunnel à balayage des ondes stationnaires (d'électrons) qui se forment le long des chaînes", explique Varykhalov. Ils ont étudié la structure électronique à l'aide d'une méthode avec laquelle l'équipe a déjà une grande expérience : La spectroscopie d'émission de photoélectrons résolue en angle (Angle-resolved photoelectron Spectroscopy, ARPES) à BESSY II.
C'est là que le Dr Maxim Krivenkov et le Dr Maryam Sajedi ont fait œuvre de pionniers : en analysant soigneusement les données, ils sont parvenus à séparer les contributions des trois chaînes de phosphore orientées différemment. "Nous avons pu démêler les signaux ARPES de ces domaines et montrer ainsi que de telles chaînes de phosphore 1D présentent effectivement une structure électronique 1D très claire", explique Krivenkov. Les calculs effectués à l'aide de la théorie de la fonctionnelle de la densité confirment cette analyse et font un pronostic passionnant : plus ces chaînes sont denses les unes par rapport aux autres, plus elles interagissent. Lorsque la densité du réseau de chaînes augmente, les calculs prédisent une transition de phase du semi-conducteur au métal, de sorte qu'une structure bidimensionnelle de chaînes de phosphore serait métallique.
"Nous sommes entrés ici dans un nouveau champ de recherche, un terrain vierge où de nombreuses découvertes passionnantes sont probablement encore possibles", déclare Varykhalov.
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