Newswise – UPTON, NY – Des scientifiques du laboratoire national de Brookhaven du département américain de l’énergie ont découvert un état magnétique de la matière prédit depuis longtemps appelé « isolant d’exciton antiferromagnétique ».

« Dans l’ensemble, il s’agit d’un nouveau type d’aimant », a déclaré Mark Dean, physicien au Brookhaven Lab, auteur principal d’un article décrivant la recherche qui vient d’être publiée dans communication nature. « Étant donné que les matériaux magnétiques sont au cœur d’une grande partie de la technologie qui nous entoure, les nouveaux types d’aimants sont fondamentalement passionnants et prometteurs pour les applications futures. »

Le nouvel état magnétique implique une forte attraction magnétique entre les électrons dans un matériau en couches qui incite les électrons à organiser leurs moments magnétiques, ou « spins », selon un schéma « antiferromagnétique » régulier de haut en bas. L’idée qu’un tel antiferromagnétisme pourrait être entraîné par un couplage électronique particulier dans un matériau isolant a été prédite pour la première fois dans les années 1960 lorsque les physiciens ont exploré les différentes propriétés des métaux, des semi-conducteurs et des isolants.

« Il y a soixante ans, les physiciens commençaient à peine à se demander comment les règles de la mécanique quantique s’appliquaient aux propriétés électroniques des matériaux », a déclaré Daniel Mazzone, un ancien physicien du Brookhaven Laboratory qui a dirigé l’étude et travaille maintenant à l’Institut Paul Scherrer en Suisse. «Ils essayaient de comprendre ce qui se passait lorsque vous réduisiez de plus en plus le «écart d’énergie» électronique entre un isolant et un conducteur. Change-t-il simplement un simple isolant en un simple métal où les électrons peuvent se déplacer librement, ou quelque chose de plus intéressant se produit-il ?

La prédiction était que, sous certaines conditions, vous pourriez obtenir quelque chose de plus intéressant : à savoir « l’isolant antiferromagnétique d’excitons » que l’équipe de Brookhaven vient de découvrir.

READ  Meilleurs moments pour voir la lune de maïs

Pourquoi ce matériau est-il si exotique et intéressant ? Pour comprendre, approfondissons ces termes et explorons comment ce nouvel état de la matière se forme.

Dans un antiferromagnétique, les électrons des atomes adjacents ont leurs axes de polarisation magnétique (spins) alignés dans des directions alternées : haut, bas, haut, bas, etc. À l’échelle de l’ensemble du matériau, ces orientations magnétiques internes alternées s’annulent, ce qui n’entraîne aucun magnétisme net dans le matériau dans son ensemble. De tels matériaux peuvent être rapidement changés entre différents états. Ils sont également résistants à la perte de données due aux interférences des champs magnétiques externes. Ces propriétés rendent les matériaux antiferromagnétiques attractifs pour les technologies de communication modernes.

Ensuite, nous avons excitonique. Les excitons apparaissent lorsque certaines conditions permettent aux électrons de se déplacer et d’interagir fortement les uns avec les autres pour former des états liés. Les électrons peuvent également former des états liés avec des « trous », les lacunes laissées lorsque les électrons sautent vers une position ou un niveau d’énergie différent dans un matériau. Dans le cas des interactions électron-électron, la liaison est entraînée par des attractions magnétiques suffisamment fortes pour surmonter la force répulsive entre les deux particules de même charge. Dans le cas d’interactions électron-trou, l’attraction doit être suffisamment forte pour surmonter le « trou d’énergie » du matériau, caractéristique d’un isolant.

« Un isolant est le contraire d’un métal ; c’est un matériau qui ne conduit pas l’électricité », a déclaré Dean. Les électrons dans le matériau restent généralement dans un état de faible énergie ou « fondamental ». « Tous les électrons sont bloqués en place, comme des gens dans un amphithéâtre bondé ; ils ne peuvent pas bouger », a-t-il dit. Pour faire bouger les électrons, vous devez leur donner un regain d’énergie suffisamment important pour combler un écart caractéristique entre l’état fondamental et un niveau d’énergie plus élevé.

READ  Une ancienne abbaye fouillée en France révèle une architecture anti-inondation - ARTnews.com

Dans des circonstances très particulières, le gain d’énergie des interactions magnétiques électron-trou peut compenser le coût énergétique des électrons sautant à travers la bande interdite.

Désormais, grâce à des techniques avancées, les physiciens peuvent explorer ces circonstances particulières pour comprendre comment l’état de l’isolant excitonique antiferromagnétique apparaît.

Une équipe collaborative a travaillé avec un matériau appelé oxyde de strontium iridium (Sr3allerdeuxOU7), peu isolant à haute température. Daniel Mazzone, Yao Shen (Laboratoire de Brookhaven), Gilberto Fabbris (Laboratoire national d’Argonne) et Jennifer Sears (Laboratoire de Brookhaven) ont utilisé des rayons X à l’Advanced Photon Source, une installation utilisateur du DOE Office of Science au Laboratoire national d’Argonne, pour mesurer les interactions magnétiques et le coût énergétique associé au déplacement des électrons. Jian Liu et Junyi Yang de l’Université du Tennessee et les scientifiques d’Argonne Mary Upton et Diego Casa ont également apporté d’importantes contributions.

L’équipe a commencé son enquête à haute température et a progressivement refroidi le matériau. Avec le refroidissement, l’écart énergétique s’est progressivement rétréci. À 285 Kelvin (environ 53 degrés Fahrenheit), les électrons ont commencé à sauter entre les couches magnétiques du matériau, mais ont immédiatement formé des paires liées avec les trous qu’ils avaient laissés, provoquant simultanément un alignement antiferromagnétique des spins d’électrons adjacents. Hidemaro Suwa et Christian Batista de l’Université du Tennessee ont effectué des calculs pour développer un modèle utilisant le concept de l’isolant d’exciton antiferromagnétique prédit et ont montré que ce modèle explique de manière exhaustive les résultats expérimentaux.

« En utilisant les rayons X, nous avons observé que la liaison causée par l’attraction entre les électrons et les trous renvoie en fait plus d’énergie que lorsque l’électron saute par-dessus la bande interdite », a expliqué Yao Shen. « Parce que ce processus économise de l’énergie, tous les électrons veulent le faire. Ensuite, une fois que tous les électrons ont effectué la transition, le matériau semble différent de l’état à haute température en termes de disposition globale des électrons et des spins. La nouvelle configuration implique que les spins des électrons sont ordonnés selon un schéma antiferromagnétique, tandis que les paires liées créent un état d’isolement « verrouillé ».

READ  Pour la première fois, des scientifiques observent la formation d'une lune dans un autre système solaire.

L’identification de l’isolant d’exciton antiferromagnétique complète un long voyage explorant les manières fascinantes que les électrons choisissent de s’organiser dans les matériaux. À l’avenir, la compréhension des liens entre le spin et la charge dans ces matériaux pourrait avoir un potentiel pour la réalisation de nouvelles technologies.

Le rôle de Brookhaven Lab dans cette recherche a été financé par le DOE Office of Science, et les collaborateurs ont reçu des fonds de diverses autres sources mentionnées dans l’article. Les scientifiques ont également utilisé les ressources informatiques de l’Oak Ridge Leadership Computing Facility, une installation utilisateur du DOE Office of Science au Oak Ridge National Laboratory.

Le Laboratoire national de Brookhaven est soutenu par le Bureau des sciences du Département américain de l’énergie. L’Office of Science est le plus grand soutien de la recherche fondamentale en sciences physiques aux États-Unis et s’efforce de relever certains des défis les plus urgents de notre époque. Pour plus d’informations, visitez science.energy.gov.

Suivez @BrookhavenLab sur Twitter ou retrouvez-nous sur Facebook