Le mouvement et les structures des électrons décrits en physique quantique permettent aux chercheurs de mieux comprendre comment et pourquoi des matériaux comme les supraconducteurs se comportent ainsi. Les chercheurs de l’Université Rice, Jianwei Huang et Ming Yi, ont développé une nouvelle capacité, la magnétoARPES, basée sur la spectroscopie de photoémission résolue en angle (ARPES), qui permet aux chercheurs d’étudier des comportements quantiques qu’ils n’avaient pas pu résoudre en utilisant l’ARPES seule.
La magnétoARPES ajoute un champ magnétique réglable, externe à l’échantillon, à l’ARPES. Cela permet aux chercheurs de sonder la réponse électronique complète à un champ magnétique, offrant des insights sur la raison pour laquelle certains comportements collectifs des électrons se développent. Les champs magnétiques ont historiquement été exclus des expériences ARPES, mais au cours de quelques années d’expérimentation et de simulations, l’équipe de Yi a trouvé un moyen viable d’intégrer cette capacité dans l’environnement d’échantillon ARPES.
« Ce projet a commencé comme un petit exercice exploratoire », a expliqué Yi, professeur associé de physique et d’astronomie et auteur correspondant de l’article. « Puis une série de simulations et de tests ont donné des résultats de plus en plus prometteurs jusqu’à ce que nous découvrions qu’un petit champ magnétique réglable, généré par une bobine, pouvait permettre de conserver en grande partie les informations spectrales électroniques résolues en impulsion. »
Pour tester la magnétoARPES, l’équipe a utilisé un supraconducteur kagome — un supraconducteur présentant un comportement électronique inhabituel qui avait été décrit dans d’autres expériences. En sondant les informations spectrales électroniques sous un champ magnétique viable, l’équipe a pu détecter un comportement collectif des électrons qui suggérait qu’une certaine symétrie dans le matériau était brisée. Ce comportement est cohérent avec les ordres de courant en boucle prédits théoriquement, où les électrons sur le réseau cristallin tournent en cercles dans des directions opposées. En introduisant un champ magnétique externe et réglable, les domaines avec un mouvement électronique opposé pourraient être alignés, permettant ainsi la détection de leur comportement collectif.
« L’utilisation de la magnéto-ARPES nous a permis de confirmer que les électrons du kagome travaillent ensemble pour que l’état quantique brise la symétrie de renversement du temps », a souligné Huang, un ancien chercheur postdoctoral de Rice, maintenant à l’Université Sun Yat-Sen, et premier auteur de l’article. « Les données ont montré que cette rupture était liée à un autre état électronique appelé onde de densité de charge, permettant de comprendre comment les ondes de densité de charge peuvent contribuer à former la supraconductivité. »
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L’existence d’une brisure de la symétrie de renversement du temps dans le kagome avait été proposée auparavant, mais cette étude offre la première preuve expérimentale confirmant directement ce comportement inhabituel dans l’espace des impulsions. Tout comme les nouveau-nés apprennent le monde qui les entoure en tapant leurs jouets ou en les mâchonnant, les physiciens apprennent à connaître les phases énigmatiques de la matière en soumettant le matériau à différents stimuli externes et en observant comment il répond, obtenant ainsi des insights sur les phénomènes émergents dans les matériaux quantiques et sur la manière de les contrôler pour des applications. La technique de la magnétoARPES ajoute une nouvelle dimension le long de laquelle nous pouvons apprendre la réponse électronique au champ magnétique — l’un des boutons de réglage les plus utiles qui manquait à la sonde ARPES.
« Montrer que des informations utiles peuvent être obtenues lors de l’exécution de l’ARPES dans un champ est un point de départ excitant », a déclaré Yi. « Nous attendons avec impatience les découvertes qui découleront de cette capacité alors que la créativité collective et l’élan d’une incroyable communauté de recherche continuent d’améliorer cette technique, car des efforts indépendants sont déjà en cours. »
Article : Magnetic field-induced momentum-dependent symmetry breaking in a kagome superconductor – Journal : Nature Physics – Méthode : Experimental study – DOI : Lien vers l’étude
Source : Rice U.
