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Le monde des électrons, où les électrons (nains) explorent leur bande d'énergie (plage), peut être manipulé à l'aide de champs externes ou de lumière dans des isolants fortement corrélés. Cette capacité permet de créer de nouveaux dispositifs électroniques dotés de fonctionnalités avancées. (Crédit : MANA, NIMS et Science Graphics. Co., Ltd.)

Le monde des électrons, où les électrons (nains) explorent leur bande d'énergie (plage), peut être manipulé à l'aide de champs externes ou de lumière dans des isolants fortement corrélés. Cette capacité permet de créer de nouveaux dispositifs électroniques dotés de fonctionnalités avancées. (Crédit : MANA, NIMS et Science Graphics. Co., Ltd.)

Principes théoriques de la manipulation de la structure de bandes dans les isolants fortement corrélés

par La rédaction
6 mars 2026
en Matériaux, Technologie

Imaginez un matériau électronique dont les propriétés fondamentales pourraient être modifiées non pas en remplaçant des atomes ou en fabriquant de nouvelles structures, mais en appliquant de la lumière, un champ magnétique ou un signal électrique. Une cellule solaire, par exemple, pourrait temporairement remodeler ses bandes d’énergie sous illumination pour récolter la lumière plus efficacement.

Une telle flexibilité n’est généralement pas possible dans les semiconducteurs conventionnels, où les contrôles externes ne peuvent que changer la façon dont les électrons occupent les niveaux d’énergie plutôt que la structure de bandes d’énergie elle-même. Désormais, une étude publiée dans Physical Review B par le chercheur principal Masanori Kohno du MANA démontre que les isolants fortement corrélés tels que les isolants de Mott et de Kondo peuvent se comporter très différemment.

Dans ces matériaux, perturber les spins ou les charges via le dopage (ajout de trous ou d’électrons par un déplacement du potentiel chimique), l’aimantation ou la lumière peut induire de tout nouveaux états électroniques à l’intérieur de la bande interdite entre les bandes d’énergie. Cela se produit parce que les électrons interagissent fortement les uns avec les autres. Contrairement aux isolants de bande ordinaires, où les excitations de spin et de charge sont étroitement liées, les isolants corrélés permettent aux excitations de spin de basse énergie d’exister indépendamment.

Par des analyses théoriques et des calculs numériques, cette étude élucide comment les perturbations de spin et de charge affectent les structures de bandes de ces isolateurs, clarifiant le mécanisme microscopique responsable de l’émergence de ces modes électroniques. Les résultats montrent que lorsqu’un grand nombre collectif de spins ou de charges sont excités, les états induits peuvent avoir une intensité significative, remodelant la structure de bandes électronique.

« Cette recherche montre que, contrairement aux semiconducteurs conventionnels, les perturbations de spin et de charge peuvent créer de nouveaux modes électroniques qui modifient activement les structures de bandes », explique le Dr Kohno.

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Ces découvertes pourraient jeter les bases de l’ingénierie de la structure de bandes basée sur de fortes corrélations électroniques, permettant de futurs dispositifs électroniques et optoélectroniques avec des fonctionnalités améliorées et ajustables.

Article : Electronic modes induced by spin and charge perturbations in Mott and Kondo insulators – Journal : Physical Review B – DOI : Lien vers l’étude

Source : NIMS

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Tags: bandechargeisolantspin
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A study from the Research Center for Materials Nanoarchitectonics (MANA), one of the centers under the National Institute for Materials Science (NIMS), Japan, has uncovered a theoretical mechanism showing how the electronic band structures of strongly correlated insulators can be reshaped by spin and charge perturbations, opening up new possibilities for electronics with tunable band structures.

Imagine an electronic material whose fundamental properties could be changed not by replacing atoms or fabricating new structures, but by applying light, a magnetic field, or an electric signal. A solar cell, for example, could temporarily reshape its energy bands under illumination to harvest light more efficiently.

Such flexibility is not usually possible in conventional semiconductors, where external controls can only change how electrons occupy energy levels rather than the energy band structure itself. Now, a study published in Physical Review B by Chief Researcher Masanori Kohno from MANA demonstrates that strongly correlated insulators such as Mott and Kondo insulators can behave very differently.

In these materials, disturbing spins or charges via doping (addition of holes or electrons through a chemical-potential shift), magnetization, or light can induce entirely new electronic states inside the gap between energy bands. This occurs because electrons interact strongly with one another. Unlike ordinary band insulators, where spin and charge excitations are tightly linked, correlated insulators allow low-energy spin excitations to exist independently.

By theoretical analyses and numerical calculations, this study elucidates how spin and charge perturbations affect the band structures of these insulators, clarifying the microscopic mechanism responsible for the emergence of these electronic modes. The results show that when a large collective number of spins or charges are excited, the induced states can have significant intensity, reshaping the electronic band structure.

“This research shows that, unlike conventional semiconductors, spin and charge perturbations can create new electronic modes that actively modify band structures,” says Dr. Kohno.

The findings could lay the groundwork for band-structure engineering based on strong electron correlations, enabling future electronic and optoelectronic devices with enhanced and tunable functionality.

Research Highlights Vol. 95
https://www.nims.go.jp/mana/research/researchactivities/highlights/vol95.html

 

***

 

Reference
Source: Research Center for Materials Nanoarchitectonics (MANA), National Institute for Materials Science (NIMS)
DOI: https://doi.org/10.1103/ythd-s2x8

 

About Research Center for Materials Nanoarchitectonics (MANA)
The Research Center for Materials Nanoarchitectonics (MANA) is one of the core research centers of the National Institute for Materials Science (NIMS). Established in 2007 under the World Premier International Research Center Initiative (WPI) by Japan’s Ministry of Education, Culture, Sports, Science and Technology (MEXT), MANA pioneers the concept of Nanoarchitectonics to design innovative materials at the nanoscale level. MANA promotes world-class research, fosters global collaboration, and supports the development of young scientists. With a strong international presence and interdisciplinary approach, MANA continues to lead in advancing materials science for a more sustainable and innovative future.
Website: https://www.nims.go.jp/mana/index.html

 

MANA Research Highlights
MANA independently selects and publishes its exceptional research achievements as “Research Highlights,” which are different from the official ‘Press releases’ disseminated by NIMS, with the purpose of showcasing its research outcomes.
https://www.nims.go.jp/mana/research/researchactivities/highlights/index.html

 

About the World Premier International Research Center Initiative (WPI)
The WPI was launched in 2007 by Japan’s Ministry of Education, Culture, Sports, Science and Technology (MEXT), to foster globally visible research centers exhibiting the highest standards and outstanding research environments. With over a dozen centers that operate at several institutions throughout the country, these centers are given a high degree of autonomy, allowing them to pursue innovative modes of management and research. This program is supported by the Japan Society for the Promotion of Science (JSPS).

See the latest research news from the centers at the:
WPI News Portal: https://www.eurekalert.org/newsportal/WPI
WPI program website: https://www.jsps.go.jp/english/e-toplevel/index.html

Journal

Physical Review B

DOI

10.1103/ythd-s2x8

Article Title

Electronic modes induced by spin and charge perturbations in Mott and Kondo insulators

Article Publication Date

3-Dec-2025

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