Une quasi-particule résout l'énigme de la disparition de la conductivité
Une équipe de la CAU détecte pour la première fois des polarons dans un composé de terre rare
Les électrons déterminent les propriétés de tous les matériaux : ils décident si un métal conduit l'électricité, comment fonctionne un semi-conducteur ou quels effets magnétiques se produisent. Dans certains matériaux, les électrons se comportent de manière particulièrement inhabituelle : ils passent d'un état à l'autre, s'influencent fortement les uns les autres et peuvent même faire en sorte qu'un métal devienne soudainement un isolant - une substance qui ne conduit plus le courant électrique.
Une équipe internationale dirigée par le Dr Chul-Hee Min et le professeur Kai Rossnagel de l'université Christian-Albrechts de Kiel (CAU) vient de décrypter un mécanisme décisif. Dans un composé de thulium, de sélénium et de tellure (TmSe₁₋ₓTeₓ), les chercheurs ont étudié un matériau basé sur un métal de terre rare (thulium). Ces métaux présentent des propriétés électroniques particulières qui sont utilisées dans de nombreuses technologies clés.
L'équipe a découvert une quasi-particule jusqu'alors inconnue dans le matériau. Elle résulte de l'interaction entre les électrons et les atomes et explique pourquoi le matériau modifie ses propriétés électriques. Les chercheurs ont publié leurs résultats dans la revue spécialisée Physical Review Letters.
Quand les métaux deviennent soudainement des isolants
Lorsque la proportion de tellure dans le composé TmSe₁₋ₓTeₓ augmente à environ 30 pour cent, le matériau cesse de conduire l'électricité et se transforme de semi-métal en isolant. Ces transitions fascinent les physiciens parce qu'elles montrent que les propriétés d'un matériau ne s'expliquent pas uniquement par sa composition chimique. Les électrons s'influencent fortement les uns les autres, se couplent aux oscillations du réseau cristallin - le réseau régulier d'atomes dans le corps solide - et forment ensemble des états de type particule avec de nouvelles propriétés, appelés quasi-particules.
Les chercheurs ont étudié le matériau au niveau atomique afin de comprendre ces processus. Ils ont effectué leurs mesures par spectroscopie de photoémission à haute résolution à différentes sources de rayonnement synchrotron dans le monde, notamment au laboratoire Ruprecht-Haensel, une installation commune de la CAU et du synchrotron électronique allemand DESY. Ils ont irradié l'échantillon avec des rayons X intenses et ont mesuré les angles et les énergies de sortie des électrons. Les spectres montrent à quel point les électrons sont liés dans certains états et fournissent des informations sur les processus d'interaction sous-jacents.
Découverte des polarons
Les mesures spectroscopiques ont révélé de nouveaux détails sur le mouvement des électrons dans le matériau : un petit signal supplémentaire apparaissait régulièrement, comme une petite bosse à côté du signal principal. Les chercheurs ont d'abord pensé qu'il s'agissait d'un flou technique, mais le signal est apparu même lors de mesures répétées. Ce phénomène récurrent a incité l'équipe de Kiel à étudier systématiquement l'histoire et le comportement du matériau pendant des années - une recherche de traces qui a finalement conduit à la découverte des quasi-particules.
Dès 2015, le Dr Chul-Hee Min, premier auteur, a commencé à étudier TmSe₁₋ₓTeₓ. D'abord à la recherche d'états de surface topologiques, il s'est ensuite concentré sur le comportement électronique à l'intérieur du matériau. Pendant longtemps, le signal supplémentaire à côté du pic principal est resté une énigme non résolue.
Ce n'est qu'après des années d'analyse et une étroite collaboration avec des théoriciennes internationales que l'équipe en a identifié la cause : le signal provient de polarons, des quasi-particules dans lesquelles un électron est étroitement couplé aux oscillations du réseau cristallin. L'électron se déplace en même temps que la distorsion des atomes, formant ainsi une nouvelle particule composite. Dans leur recherche, les scientifiques ont utilisé le modèle périodique d'Anderson, un modèle théorique qui décrit comment les électrons interagissent dans de tels métaux. En étendant le modèle au couplage des électrons avec les vibrations du réseau cristallin, elles ont pu expliquer précisément les mesures spectroscopiques. "C'était l'étape décisive", explique Min. "Dès que nous avons intégré cette interaction dans les calculs, la simulation et les mesures se sont parfaitement accordées".
Polarons - la danse des électrons et des atomes
Un polaron peut être décrit concrètement comme une sorte de "danse" entre un électron et les atomes qui l'entourent. Dans les métaux ordinaires, les électrons circulent presque librement. Dans ce matériau, ils se déplacent cependant avec des couches atomiques légèrement déformées, comparables à une bosse qui se déplace à travers le réseau cristallin. Ce couplage ralentit les électrons, modifie la conductivité électrique et explique la transition vers l'isolant.
"Dans les matériaux quantiques comme le TmSe₁₋ₓTeₓ, dont les propriétés exotiques proviennent des propriétés de la mécanique quantique de leurs électrons, cet effet n'a pas encore été démontré expérimentalement", explique le professeur Kai Rossnagel, directeur de l'Institut de physique expérimentale et appliquée (IEAP) à la CAU et porte-parole du pôle de recherche KiNSIS - Kiel Nano, Surface and Interface Science. "Le fait que nous ayons pu le rendre visible pour la première fois ici montre les nouveaux phénomènes intéressants qu'il reste à découvrir dans les cosmos quantiques des matériaux".
Potentiel pour la microélectronique et la technologie quantique Les découvertes ont des répercussions au-delà du matériau étudié. Dans de nombreux matériaux quantiques modernes - des supraconducteurs à haute température aux matériaux 2D - des effets de couplage similaires se produisent. Les chercheurs pourraient à l'avenir utiliser les polarons de manière ciblée pour contrôler les propriétés électroniques, optiques ou magnétiques des matériaux ou pour créer des états de la matière entièrement nouveaux.
"De telles découvertes sont souvent le fruit d'une recherche fondamentale obstinée", explique Rossnagel. "Mais elles sont précisément ce qui peut conduire à long terme à de nouvelles technologies".
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