Dans la plupart des matériaux courants, comme le cuivre, l’argent et le silicium, le comportement des électrons est relativement prévisible. Dans les matériaux quantiques, cependant, les électrons peuvent interagir de manière complexe, donnant naissance à des états électroniques collectifs aux propriétés remarquables. Comprendre comment ces états émergent — et, en fin de compte, comment les contrôler — est l’un des défis centraux de la recherche sur les matériaux quantiques.
Des chercheurs de l’Institut des sciences et technologies d’Okinawa (OIST) et de l’Université d’Hiroshima ont découvert qu’un faible champ magnétique fait basculer le matériau quantique en couches CeTe₃ entre des états électroniques concurrents qui se présentent sous forme de motifs rayés ou en damier. Publiés le 23 juillet dans Nature Communications, ces travaux révèlent comment le magnétisme peut réorganiser l’ensemble de l’état électronique d’un matériau quantique.
Le CeTe₃, un matériau formé d’atomes de cérium et de tellure, possède des propriétés similaires à celles du graphène, car c’est un matériau en couches bidimensionnel avec des électrons très mobiles. Mais contrairement au graphène, les électrons sur les sites de cérium restent localisés tandis que les électrons mobiles sur les sites de tellure s’auto-organisent naturellement en motifs ordonnés. Grâce à une propriété quantique appelée spin, les électrons localisés se comportent comme de minuscules aimants, permettant de manipuler les états électroniques du CeTe₃ avec un champ magnétique. Jusqu’à présent, cependant, personne n’avait directement observé comment le magnétisme influence l’évolution de ces motifs électroniques.
« Le CeTe₃ offre une opportunité rare d’observer les électrons mobiles et les spins localisés travailler ensemble », explique le premier co-auteur Yuita Fujisawa, professeur assistant à l’Université d’Hiroshima et ancien chercheur postdoctoral au sein de l’Unité de science des matériaux quantiques (QMSU) de l’OIST, dirigée par le professeur Yoshinori Okada. « Nous voulions visualiser directement comment cette coopération donne naissance à des états électroniques collectifs. »
Des bandes aux damiers
Pour commencer, les chercheurs ont utilisé la microscopie à effet tunnel (STM) pour cartographier la disposition des électrons dans le CeTe₃ à l’échelle atomique. Après refroidissement jusqu’à près du zéro absolu, les chercheurs ont observé un motif électronique rayé. Lorsqu’ils ont ensuite appliqué un champ magnétique, le motif rayé s’est transformé en un motif en damier.
« Je suis immédiatement allé au bureau du professeur Okada et lui ai dit : « Regardez ça ! » », se souvient Fujisawa. « Nous étions stupéfaits car il est extrêmement rare qu’un matériau abrite plusieurs motifs électroniques concurrents pouvant être commutés de manière aussi spectaculaire par un champ magnétique aussi faible. »
Alors pourquoi le matériau peut-il adopter si facilement des motifs électroniques aussi différents ? La réponse réside dans un phénomène que les physiciens appellent frustration. Dans le CeTe₃, les électrons peuvent s’organiser en plusieurs motifs de basse énergie différents, sans qu’aucun arrangement ne soit privilégié.
« Imaginez placer une balle sur un paysage avec plusieurs vallées presque identiques », explique Fujisawa. « Une légère inclinaison suffit pour que la balle roule dans une vallée différente. Dans le CeTe₃, le champ magnétique fournit cette poussée, déplaçant l’équilibre entre les états électroniques concurrents et faisant passer le matériau d’un motif rayé à un motif en damier. »
Lier les structures magnétiques et électroniques
Après avoir découvert les motifs électroniques concurrents, les chercheurs ont ensuite cherché à comprendre le type de structure magnétique qui les sous-tend. Une deuxième équipe de recherche, comprenant des scientifiques de l’OIST, de l’Université d’Hiroshima, de l’Université de Tokyo, de l’Université des Ryūkyū et de l’Organisation de recherche sur les accélérateurs à haute énergie (KEK), a étudié la structure magnétique du CeTe₃ à l’aide de la diffusion de neutrons, une technique capable de révéler directement l’arrangement des moments magnétiques. Publiée le même jour dans Physical Review B, l’étude complémentaire a montré que l’ordre magnétique du CeTe₃ devient étonnamment complexe à des températures proches du zéro absolu.
« Le CeTe₃ est antiferromagnétique, ce qui signifie généralement que les spins voisins pointent dans des directions opposées. Mais dans ce cas, nous avons constaté que les moments magnétiques forment un motif répétitif beaucoup plus complexe », affirme Ryutaro Okuma, professeur assistant à l’Université de Tokyo et ancien chercheur postdoctoral à l’OIST.
De manière remarquable, la périodicité de cette structure magnétique — la longueur sur laquelle le motif se répète — est proportionnelle à l’état électronique rayé observé par STM, fournissant une preuve solide que les structures magnétiques et électroniques du CeTe₃ sont étroitement liées.
« Notre travail montre que la frustration électronique peut être exploitée », déclare Fujisawa. « En la couplant au magnétisme, nous pouvons manipuler des états électroniques collectifs avec un faible champ magnétique. »
Dans l’ensemble, leurs résultats suggèrent que la frustration électronique crée plusieurs états électroniques concurrents, tandis que le magnétisme offre un moyen pratique de sélectionner entre eux.
« Exploiter cette interaction pourrait offrir une nouvelle stratégie pour contrôler les états électroniques collectifs dans les matériaux où ces deux ingrédients coexistent », conclut Fujisawa. « Cette approche pourrait ouvrir de nouvelles opportunités pour les futures technologies quantiques et spintroniques, et pourrait également inspirer de nouvelles façons de contrôler les phases électroniques concurrentes dans les matériaux quantiques émergents. »
Article : Versatile electronic phases enabled by intertwined multiple frustrations in an antiferromagnetic two-dimensional semimetal – Journal : Nature Communications – Méthode : Imaging analysis – DOI : Lien vers l’étude
Source : OIST
