Pour la première fois, une équipe de BESSY II a réussi à démontrer les propriétés électroniques unidimensionnelles d’un matériau grâce à un processus expérimental hautement perfectionné. Les échantillons étaient constitués de courtes chaînes d’atomes de phosphore qui s’auto-organisent selon des angles spécifiques sur un substrat d’argent. Grâce à une analyse sophistiquée, l’équipe a pu démêler les contributions de ces chaînes différemment alignées. Cela a révélé que les propriétés électroniques de chaque chaîne sont bel et bien unidimensionnelles. Les calculs prédisent une transition de phase passionnante dès que ces chaînes seront plus densément tassées. Alors que le matériau constitué de chaînes individuelles avec des distances plus longues est semi-conducteur, une structure de chaînes très dense serait métallique.
Le monde matériel est constitué d’atomes qui se combinent pour former de nombreuses substances différentes. En règle générale, les atomes se lient entre eux à la fois dans un plan et perpendiculairement à celui-ci. Cependant, certains atomes comme le carbone peuvent également former du graphène, un réseau hexagonal bidimensionnel (2D) dans lequel ils ne sont connectés que dans un seul plan. De même, l’élément phosphore peut former des réseaux 2D stables. Les matériaux 2D constituent un domaine de recherche passionnant en raison de leurs propriétés électroniques et optiques étonnantes. Des considérations théoriques suggèrent que les propriétés électro-optiques des structures unidimensionnelles pourraient être encore plus extraordinaires.
Chaînes d’atomes de phosphore
Récemment, il est devenu possible de produire des structures unidimensionnelles : dans certaines conditions, les atomes de phosphore s’arrangent effectivement en courtes lignes sur un substrat d’argent. Ces chaînes sont morphologiquement unidimensionnelles. Cependant, il est probable qu’elles interagissent latéralement avec d’autres chaînes. De telles interactions influencent la structure électronique, risquant potentiellement de détruire l’unidimensionnalité. Jusqu’à présent, il n’avait pas été possible de mesurer cela avec précision dans des expériences.
« Grâce à une évaluation très approfondie des mesures effectuées à BESSY II, nous avons maintenant montré que de telles chaînes de phosphore possèdent réellement une structure électronique unidimensionnelle », a indiqué le professeur Oliver Rader, chef du département Spin et Topologie dans les Matériaux Quantiques au HZB.
Le Dr Andrei Varykhalov et son équipe ont d’abord produit et caractérisé des chaînes de phosphore sur un substrat d’argent en utilisant un microscope à effet tunnel cryogénique (STM). Les images résultantes ont révélé la formation de courtes chaînes de P dans trois directions différentes sur le substrat, à des angles de 120 degrés les unes par rapport aux autres.
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L’ARPES à BESSY II révèle une structure électronique 1D
« Nous avons obtenu des résultats de très haute qualité, nous permettant d’observer des ondes stationnaires d’électrons se formant entre les chaînes », précise A. Varykhalov. L’équipe a ensuite étudié la structure électronique en utilisant la spectroscopie de photoélectrons résolue en angle (ARPES) à BESSY II, une méthode avec laquelle ils ont déjà une grande expérience.
Transition de phase prédite avec la densité
Le Dr Maxim Krivenkov et le Dr Maryam Sajedi ont réalisé un travail pionnier ici : En analysant soigneusement les données, ils ont pu distinguer les contributions des trois chaînes de phosphore orientées différemment.
« Nous avons pu démêler les signaux ARPES de ces domaines et ainsi démontrer que ces chaînes de phosphore 1D possèdent effectivement une structure électronique 1D très distincte également », ajoute M. Krivenkov. Des calculs basés sur la théorie de la fonctionnelle de la densité confirment cette analyse et font une prédiction passionnante : Plus ces chaînes sont proches les unes des autres, plus leur interaction est forte. Ces résultats prédisent une transition de phase de semi-conducteur à métal à mesure que la densité du réseau de chaînes augmente – en conclusion, une structure de chaînes de phosphore bidimensionnelle serait métallique.
« Nous sommes entrés dans un nouveau domaine de recherche ici, un territoire inexploré où de nombreuses découvertes passionnantes sont susceptibles d’être faites », a conclu M. Varykhalov.
Article : « Revealing the one-dimensional nature of electronic states in phosphorene chains ( Révéler la nature unidimensionnelle des états électroniques dans les chaînes de phosphorène ) » – DOI : 10.1002/sstr.202500458
