Une recherche révolutionnaire permet de découvrir des phénomènes cachés dans des matériaux quantiques ultra-propres
"Cette situation était très excitante mais aussi déroutante
Des chercheurs ont rapporté des phénomènes jamais observés auparavant dans un échantillon ultra-propre du métal corrélé SrVO3. L'étude remet en question les modèles théoriques existants en fournissant de nouvelles informations expérimentales sur ces métaux inhabituels. L'équipe a démontré que le SrVO3 de haute pureté présente des propriétés électroniques uniques, révélant l'importance des matériaux sans défaut dans l'étude des effets de corrélation électronique. La percée de l'étude a été réalisée à l'aide d'une technique innovante de croissance de couches minces, qui a conduit à la synthèse de SrVO3 d'une pureté sans précédent, permettant une exploration détaillée de ses véritables propriétés. Les résultats suggèrent qu'il est nécessaire de réévaluer les théories actuelles sur les interactions électroniques.
Les mesures du SrVO3 ultra-propre (à gauche) sur l'image de microscopie électronique donnent un nouvel aperçu des matériaux à électrons corrélés, contrastant avec le SrVO3 dense en défauts (à droite). Le graphique montre la qualité du matériau par le biais des rapports de résistivité (RRR).
ORNL
Dans un article publié dans Nature Communications, les chercheurs ont dévoilé des phénomènes jamais observés auparavant dans un échantillon ultra-pur du métal corrélé SrVO3. L'étude offre des perspectives expérimentales qui remettent en question les modèles théoriques dominants de ces métaux inhabituels. L'équipe de recherche internationale, composée de représentants de l'Institut Paul Drude d'électronique de l'état solide (PDI), Allemagne, du Laboratoire national Oak Ridge (ORNL), de l'Université d'État de Pennsylvanie, de l'Université de Pittsburgh, de l'Institut quantique de Pittsburgh et de l'Université du Minnesota, pense que ses résultats inciteront à réévaluer les théories actuelles sur les effets de corrélation des électrons, en mettant en lumière les origines de phénomènes importants dans ces systèmes, notamment les propriétés magnétiques, la supraconductivité à haute température et les caractéristiques uniques de métaux transparents très inhabituels.
Le matériau d'oxyde pérovskite SrVO3 est classé comme liquide de Fermi, un état décrivant un système d'électrons en interaction dans un métal à des températures suffisamment basses. Dans les métaux conventionnels, les électrons qui conduisent l'électricité se déplacent indépendamment les uns des autres, ce que l'on appelle communément un gaz de Fermi. En revanche, les liquides de Fermi se caractérisent par d'importantes interactions mutuelles entre les électrons, ce qui signifie que le mouvement d'un électron influence fortement les autres. Ce comportement collectif peut conduire à des propriétés électroniques uniques avec des applications technologiques importantes, ce qui permet de mieux comprendre les interactions entre les électrons dans les métaux corrélés. Le SrVO3 est un système modèle idéal pour l'étude des phénomènes de corrélation électronique en raison de sa simplicité cristalline et électronique. Cette simplicité est cruciale pour comprendre des phénomènes complexes tels que l'ordre magnétique ou la supraconductivité, qui peuvent compliquer les études théoriques et expérimentales.
La présence ou l'absence de défauts dans le matériau lui-même est un autre facteur crucial pour comprendre les résultats expérimentaux qui guident les modèles théoriques des effets de corrélation électronique. Roman Engel-Herbert, responsable de l'étude et directeur du PDI à Berlin, a déclaré : "Si vous voulez percer l'un des secrets les mieux gardés de la physique de la matière condensée, vous devez l'étudier dans sa forme la plus pure, c'est-à-dire en l'absence de toute perturbation extrinsèque. Il est essentiel de disposer de matériaux de haute qualité, pratiquement exempts de défauts. Il faut synthétiser des matériaux ultra-propres".
Jusqu'à présent, l'obtention d'un échantillon de SrVO3 exempt de défauts constituait un défi apparemment insurmontable. En employant une technique innovante de croissance de couches minces qui combine les avantages de l'épitaxie par faisceaux moléculaires et du dépôt chimique en phase vapeur, l'équipe a atteint un niveau de pureté du matériau sans précédent. Le Dr Matt Brahlek, premier auteur de l'étude publiée aujourd'hui, quantifie cette amélioration : "Une mesure simple de la pureté du matériau est le rapport entre la facilité avec laquelle l'électricité circule à température ambiante et à basse température, appelé rapport de résistivité résiduelle (RRR). Si le métal contient de nombreux défauts, les valeurs RRR sont faibles, généralement de l'ordre de 2 à 5. Nous avons pu synthétiser des films de SrVO3 avec un RRR près de 100 fois supérieur, 200, ce qui nous a permis d'étudier les véritables propriétés du métal corrélé SrVO3. En particulier, la haute qualité du matériau a permis d'accéder pour la première fois à un régime spécial à des champs magnétiques élevés, où des surprises ont été trouvées".
L'équipe interdisciplinaire de scientifiques a été surprise de découvrir une série de phénomènes de transport particuliers qui contrastaient fortement avec les propriétés de transport mesurées précédemment sur des échantillons très défectueux. Leurs résultats remettent en question le consensus scientifique de longue date selon lequel le SrVO3 est un simple liquide de Fermi.
Engel-Herbert explique : "Cette situation était très excitante mais aussi déroutante. Alors que nous avons reproduit le comportement de transport précédemment rapporté du SrVO3 dans nos échantillons hautement défectueux, des mesures identiques dans des échantillons ultra-propres avec des valeurs RRR élevées différaient". Les résultats obtenus avec les échantillons défectueux ont permis une interprétation directe des résultats qui correspondait aux attentes théoriques. Ces résultats ont été utilisés comme preuve expérimentale que la compréhension théorique capturait correctement les effets de corrélation des électrons dans le SrVO3. Toutefois, l'équipe a constaté que les mesures effectuées sur les échantillons ultraplats ne pouvaient pas être expliquées aussi facilement.
Brahlek a ajouté : "Une observation qui saute aux yeux est l'attente selon laquelle le nombre d'électrons qui transportent l'électricité dans un métal est indépendant de la température et du champ magnétique. C'est bien sûr vrai, mais l'interprétation de la quantité mesurée n'est pas une mesure directe de la concentration de porteurs. Cette quantité est plutôt mélangée à d'autres aspects des propriétés du matériau, tels que l'impact des défauts et de la température sur le flux d'électricité. Nous avons dû approfondir la physique pour comprendre ce que nous avons vu. C'est ce qui rend cette découverte si importante et passionnante".
Les chercheurs pensent que leur découverte peut servir de base pour affiner les modèles théoriques et inciter à réexaminer les points de vue et les interprétations établis sur les matériaux présentant une corrélation électronique importante.
Engel-Herbert déclare : "Notre travail en tant que physiciens expérimentaux consiste à repousser les limites de la compréhension actuelle de la nature. C'est là que l'on peut faire des découvertes, que l'on peut faire avancer la science. En tant que physicien de la matière condensée, il est essentiel de continuer à perfectionner notre objet d'étude en nous mettant au défi de repousser les limites du perfectionnement des matériaux. Cela peut potentiellement donner de nouvelles indications sur le véritable comportement de cette classe de matériaux et permettre une explication complète des phénomènes mesurés et observés. Il faut pour cela une équipe interdisciplinaire d'experts. Bien que le travail ne soit pas encore terminé, nos résultats offrent à la communauté l'occasion de recalibrer ses théories, de réexaminer des matériaux que l'on croyait bien compris et de réévaluer leur potentiel d'application".
L'équipe de recherche comprenait Roman Engel-Herbert, responsable de l'étude, qui a conçu et élaboré l'expérience avec le chercheur principal Matthew Brahlek (aujourd'hui à l'Oak Ridge National Laboratory), qui a réalisé la croissance, les mesures de magnétotransport et la modélisation ; Lei Zhang, Joseph D. Roth et Jason Lapano (Pennsylvania State University) ont contribué à la croissance et à la caractérisation, Turan Birol (University of Minnesota) a apporté un soutien théorique, et Megan Briggeman, Patrick Irvin et Jeremy Levy de l'University of Pittsburgh ont confirmé et validé les mesures de magnétotransport à des champs magnétiques élevés. L'étude a été soutenue par le ministère américain de l'énergie et la National Science Foundation.
Note: Cet article a été traduit à l'aide d'un système informatique sans intervention humaine. LUMITOS propose ces traductions automatiques pour présenter un plus large éventail d'actualités. Comme cet article a été traduit avec traduction automatique, il est possible qu'il contienne des erreurs de vocabulaire, de syntaxe ou de grammaire. L'article original dans Anglais peut être trouvé ici.
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