Des fermions lourds apparaissent dans un cristal intermétallique en couches – Physics World

Des fermions lourds apparaissent dans un cristal intermétallique en couches – Physics World

Horodatage: 8 février 2024 7:00

Caricature aux couleurs vives montrant les interactions entre les électrons et les spins magnétiques sous forme de boule et de flèches
Fermions lourds : dans des matériaux comme CeSiI, les interactions entre les électrons et les spins magnétiques confèrent aux électrons une masse effective plus lourde que d'habitude. En plus d'être un fermion lourd, CeSiI est un cristal de van der Waals qui peut être pelé en couches atomiquement fines. (Avec l'aimable autorisation de Nicoletta Barolini, Université de Columbia)

Les électrons font normalement partie des particules fondamentales les plus légères, mais dans les matériaux dits « à fermions lourds », ils se déplacent comme s’ils étaient des centaines de fois plus massifs. Cette lourdeur inhabituelle est due à de fortes interactions entre les électrons conducteurs et les moments magnétiques localisés dans le matériau, et on pense qu’elle joue un rôle important dans le comportement des supraconducteurs à haute température ou « non conventionnels ».

Des chercheurs américains, suédois, espagnols et allemands ont synthétisé un nouveau matériau à fermions lourds bidimensionnel à partir d'un cristal intermétallique en couches composé de cérium, de silicium et d'iode (CeSiI). Ce nouveau matériau pourrait offrir aux scientifiques de nouvelles opportunités d’étudier les interactions qui donnent lieu à des comportements mal compris, tels que la supraconductivité non conventionnelle et les phénomènes quantiques associés.

"En général, ces matériaux à fermions lourds sont des structures intermétalliques avec une forte liaison en trois dimensions, mais on sait depuis un certain temps que rendre ces matériaux plus bidimensionnels peut contribuer à promouvoir la supraconductivité non conventionnelle qui apparaît dans certains composés de fermions lourds", explique Xavier Roy, chimiste à L'Université de Columbia aux États-Unis qui a dirigé la nouvelle étude. "Nous avons identifié des fermions lourds dans le matériau en couches de Van der Waals, CeSiI, qui contient une forte liaison dans deux dimensions mais n'est que faiblement maintenu ensemble dans la troisième."

Les électrons de conduction se couplent fortement aux moments magnétiques locaux

Les chercheurs ont choisi d'étudier le CeSiI, synthétisé pour la première fois en 1998, après avoir recherché dans les bases de données cristallographiques des matériaux susceptibles d'héberger ces interactions fortes (appelées interactions Kondo). Ils visaient notamment à combiner trois éléments clés : les atomes de cérium, qui fournissent un moment magnétique local ; conductivité métallique, qui assure la présence de porteurs de charge ; et une structure en couches de Van der Waals qui leur permettrait d'exfolier (décoller) de fines couches du matériau de seulement quelques atomes d'épaisseur. Ces couches individuelles peuvent ensuite être tordues et tendues, ou empilées sur d'autres matériaux, pour modifier les propriétés du matériau.

Pour fabriquer CeSiI, les chercheurs ont combiné du cérium métallique, du silicium et de l'iodure de cérium et ont chauffé l'ensemble à haute température. Cette procédure, qu'ils détaillent dans Nature, génère des plaquettes hexagonales du matériau souhaité. "Comme nous l'espérions, nous constatons que les électrons de conduction se couplent fortement aux moments magnétiques locaux sur les atomes de Ce, ce qui se traduit par une masse effective améliorée et un ordre antiferromagnétique à basse température", explique Victoria Posey, doctorante dans le laboratoire de Roy qui a synthétisé le matériel.

À l’aide de mesures de microscopie à effet tunnel réalisées en Le laboratoire d'Abhay Pasupathy à Columbia, les chercheurs ont découvert que le spectre du matériau est caractéristique des fermions lourds. Ils ont étayé ces résultats par des mesures de spectroscopie de photoémission au Laboratoire national de Brookhaven, mesures de transport d'électrons à Université de Harvard et mesures magnétiques au Laboratoire national de champs magnétiques élevés en Floride. Ils ont également travaillé avec un groupe de théoriciens de Columbia, l'Institut Flatiron, Institut Max Planck en Allemagne, la Suède Université d'Uppsala et deux institutions de Saint-Sébastien, en Espagne, pour développer un cadre théorique pour expliquer leurs observations.

Membre de l'équipe Michael Ziebel explique que le résultat a été possible, en partie, grâce à un effort collectif de Columbia, Brookhaven et du Flatiron Institute pour concevoir de nouvelles propriétés dans les matériaux 2D. "L'un des défis majeurs que nous avons dû surmonter était la sensibilité du matériau à l'air, ce qui nous a obligé à développer de nouvelles façons de manipuler les échantillons dans notre laboratoire", explique Ziebel. "Plus généralement, établir la présence de fermions lourds eux-mêmes peut être assez difficile – il n'existe pas de mesure" irréfutable "."

Les chercheurs envisagent désormais de substituer différents atomes dans les sites de cérium, de silicium ou d'iode du CeSiI pour tenter de supprimer son ordre magnétique et d'induire de nouveaux états fondamentaux électroniques. Ensuite, en exfoliant le matériau à différentes épaisseurs, ils visent à étudier les effets de dimensionnalité sur ces composés. "En parallèle, nous appliquons les techniques que nous avons utilisées dans ce travail pour modifier systématiquement les propriétés de CeSiI à la limite 2D, ce qui, espérons-le, induira de nouveaux phénomènes quantiques résultant de la combinaison d'interactions électroniques fortes et de faible dimensionnalité", explique Roy.

Horodatage:

Plus de Monde de la physique