Une équipe de spécialistes des matériaux et de physiciens du Laboratoire national Argonne du ministère de l’environnement, du Laboratoire national des champs magnétiques élevés et de l’Institut national des normes et de la technologie a découvert un moyen de confiner le comportement des électrons en utilisant des champs magnétiques extrêmement élevés. Les résultats de l’équipe sont publiés dans le journal Nature Communications.
Bhattacharya et al ont découvert un moyen de confiner le comportement des électrons en utilisant des champs magnétiques extrêmement élevés. Crédit image : Argonne National Laboratory.
Dans les métaux, les électrons des orbitales externes peuvent se déplacer assez librement. Cependant, lorsque le champ magnétique est augmenté de façon spectaculaire, le mouvement de ces électrons devient beaucoup plus confiné. Leur comportement ressemble à celui de patineurs artistiques effectuant des pirouettes et des sauts serrés obligatoires.
L’équipe, dirigée par les scientifiques Anand Bhattacharya et Brian Skinner de l’Argonne National Laboratory, a utilisé des champs magnétiques extrêmement élevés – équivalents à ceux que l’on trouve au centre des étoiles à neutrons – pour modifier le comportement électronique.
“La nature de ce nouvel état que nous voyons a été débattue théoriquement pendant plus d’un demi-siècle, mais les expériences pour mesurer ses propriétés ont été difficiles à trouver”, a déclaré le Dr Bhattacharya.
Pour créer le champ magnétique très élevé nécessaire, les physiciens ont utilisé les installations du National High Magnetic Field Lab à Tallahassee, en Floride.
Ils y ont examiné des cristaux de titanate de strontium (SrTiO3), semblable au diamant synthétique, qui a la propriété inhabituelle de permettre à l’électricité de circuler même lorsque les électrons sont extrêmement rares et lents à se déplacer.
“Dans notre étude, nous examinons des particules millimétriques de SrTiO3 de taille millimétrique (dimensions : 7,5 x 7,5 x 0,5 mm), obtenus auprès de CrysTec GmbH”, indiquent les auteurs.
Le mouvement lent des électrons à l’intérieur du cristal de titanate de strontium les rend particulièrement sensibles aux forces magnétiques.
Les chercheurs ont observé que les propriétés quantiques des électrons changeaient radicalement lorsque les cristaux étaient soumis à des champs magnétiques élevés et refroidis à seulement quelques centièmes de degré au-dessus du zéro absolu.
Ils ont proposé que dans des champs magnétiques très élevés, les électrons forment des “flaques” spatialement inhomogènes, une conclusion surprenante qui a été soutenue par des aspects clés des données.
“Ce résultat est encourageant pour les scientifiques qui cherchent à mieux comprendre les propriétés inhabituelles de certains matériaux”, a déclaré le Dr Bhattacharya.
“Lorsque nous repoussons les limites auxquelles nous pouvons amener les électrons, une nouvelle physique émerge”.
“Si vous pensez à notre compréhension des électrons, nous comprenons les métaux, où les électrons se déplacent librement, et nous comprenons également le comportement des électrons hautement localisés”, a-t-il déclaré.
“Mais si vous pouvez ouvrir la porte à ces régions intermédiaires, vous pouvez faire de nouvelles découvertes”.
