Un regard plus clair sur les matériaux critiques, grâce aux aimants de réfrigérateur

Grâce à une technologie de pointe appelée spectroscopie de photoémission résolue en angle (ARPES), les scientifiques sont capables de cartographier la relation entre l’énergie et l’impulsion des électrons d’un matériau, qui code les propriétés électriques, optiques, magnétiques et thermiques du matériau comme un ADN électronique. Mais cette technologie a ses limites : elle ne fonctionne pas bien sous un champ magnétique. C’est un inconvénient majeur pour les scientifiques qui souhaitent étudier des matériaux déployés sous des champs magnétiques, voire actionnés par ceux-ci. Inspirée par les aimants de réfrigérateur, une équipe de chercheurs de Yale a peut-être trouvé une solution.

Les matériaux quantiques, tels que les supraconducteurs non conventionnels ou les matériaux topologiques, sont considérés comme essentiels pour faire progresser l’informatique quantique, l’électronique à haut rendement, la fusion nucléaire et d’autres domaines. Mais beaucoup d’entre eux doivent être utilisés en présence d’un champ magnétique, voire ne s’activent qu’en présence de champs magnétiques. La possibilité d’étudier directement la structure électronique de ces matériaux dans des champs magnétiques serait d’une aide précieuse pour mieux comprendre leur fonctionnement.

En règle générale, la technologie ARPES ne permet pas de mesurer les structures électroniques dans un champ magnétique, car celui-ci dévie les photoélectrons de leur trajectoire naturelle et les fait tourner en rond.

« Il devient donc presque impossible de reconstituer le comportement des électrons dans le solide à partir de ce que notre détecteur observe », indique Yu He, professeur adjoint de physique appliquée. « La mesure directe des structures électroniques sous champ magnétique est un défi de longue date. Sans cela, nous sommes pratiquement aveugles à l’évolution des états électroniques sous champ magnétique. »

Il s’avère que la solution à ce défi scientifique de longue date était cachée à la vue de tous, collée aux portes de millions de réfrigérateurs. S’inspirant des aimants de réfrigérateur ordinaires que l’on trouve dans toutes les boutiques de souvenirs, He et son équipe de recherche ont trouvé une solution. Au lieu d’utiliser un grand aimant, les chercheurs placent l’échantillon sur un substrat composé de nombreux petits aimants aux polarités alternées.

« Un aimant de réfrigérateur adhère très fortement à la porte, mais si vous le décollez ne serait-ce qu’un tout petit peu, cette interaction attractive disparaît – il tombe essentiellement », explique Wenxin Li, premier auteur de l’article et doctorant dans le laboratoire de He. « De loin, le champ magnétique décroît très rapidement. Mais si vous restez très près de la surface, le champ magnétique est en réalité très fort. »

Li souligne que leur système confine le champ magnétique à seulement quelques dizaines de nanomètres au-dessus du matériau.

« Ensuite, il tombera essentiellement à zéro au-delà de cette distance », ajoute Li. « Et l’électron photo-émis ne subira le champ magnétique que pendant quelques nanosecondes, puis le champ magnétique est pratiquement absent, et l’électron poursuivra simplement sa trajectoire en ligne droite. »

Cette structure magnétique s’apparente à un pilier industriel connu sous le nom de réseau Halbach, et M. He a déclaré que son introduction dans l’étude des matériaux quantiques est une aventure interdisciplinaire fortuite avec de nombreux collaborateurs brillants.

« Nous nous sommes demandé comment fabriquer des réseaux de type Halbach à l’échelle nanométrique. Eh bien, nous avions un voisin au centre Becton, le groupe Schiffer, qui est un leader mondial dans ce domaine. Nous nous sommes demandé comment déterminer le champ magnétique réel à la surface et placer des matériaux quantiques sur un tel réseau. Nos collègues du Boston College et du Georgia Tech, les groupes Ma et Du, sont venus à notre secours », a ajouté M. He. « Bien sûr, nos collaborateurs de longue date à l’université Rice ont joué un rôle indispensable pour aider à déterminer la trajectoire des photoélectrons grâce à d’élégantes dérivations analytiques. »

Les chercheurs ont souligné que cette approche collaborative avait été essentielle à cette avancée majeure.

« Il faut absolument garder l’esprit ouvert dans la recherche interdisciplinaire : une pierre provenant d’une autre montagne peut devenir votre jade ! », a indiqué M. He.

À l’avenir, les chercheurs affirment que leur méthode pourrait considérablement élargir les possibilités de recherche dans leur domaine.

« Jusqu’à présent, il était pratiquement impossible de comprendre le comportement des électrons sous un champ magnétique avec l’ARPES », a conclu M. He. « Avec cette avancée, nous espérons vraiment que cela ouvrira la voie à des investigations électroniques directes de nombreux phénomènes électroniques induits par le champ, tels que la supraconductivité à bande plate et les vortex magnétiques. »

Source : Yale Engineering