Une équipe de physiciens dirigée par l’Université de Colombie-Britannique a démontré une nouvelle façon de contrôler précisément les courants électriques en tirant parti de l’interaction entre le spin d’un électron et sa rotation orbitale autour du noyau.
Une impression d’artiste de la dissolution de l’embouteillage électronique : les atomes rouges sont différents dans leur nature quantique et permettent le transport d’électrons dans leur environnement. Crédit image : Berend Zwartsenberg.
De manière générale, tous les matériaux peuvent être classés en tant que métaux ou isolants, en fonction de la capacité des électrons à se déplacer dans le matériau et à conduire l’électricité.
Cependant, tous les isolants ne sont pas créés de manière égale. Dans les matériaux simples, la différence entre le comportement métallique et isolant provient du nombre d’électrons présents : un nombre impair pour les métaux et un nombre pair pour les isolants.
Dans les matériaux plus complexes, comme les isolants dits de Mott, les électrons interagissent entre eux de différentes manières, avec un équilibre délicat qui détermine leur conduction électrique.
Dans un isolant de Mott, la répulsion électrostatique empêche les électrons de se rapprocher trop près les uns des autres, ce qui crée un embouteillage et limite la libre circulation des électrons.
Jusqu’à présent, il y avait deux façons connues de libérer l’embouteillage : en réduisant la force de l’interaction répulsive entre les électrons, ou en changeant le nombre d’électrons.
Berend Zwartsenberg, étudiant en doctorat à l’Institut de la matière quantique Stewart Blusson de l’Université de Colombie britannique, et ses collègues ont exploré une troisième possibilité : y avait-il un moyen de modifier la nature quantique même du matériau pour permettre une transition métal-isolant ?
En utilisant une technique appelée spectroscopie de photoémission à résolution angulaire, les chercheurs ont examiné l’isolant de Mott Sr2IrO4, en contrôlant le nombre d’électrons, leur répulsion électrostatique, et enfin l’interaction entre le spin de l’électron et sa rotation orbitale.
“Nous avons découvert que le couplage du spin au moment angulaire orbital ralentit les électrons à tel point qu’ils deviennent sensibles à la présence des uns et des autres, solidifiant ainsi l’embouteillage”, a déclaré Zwartsenberg.
“La réduction du couplage spin-orbite facilite à son tour l’embouteillage et nous avons pu démontrer pour la première fois une transition d’un isolant à un métal en utilisant cette stratégie.”
“C’est un résultat vraiment passionnant au niveau de la physique fondamentale, et qui élargit le potentiel de l’électronique moderne”, a déclaré le professeur Andrea Damascelli, chercheur principal et directeur scientifique du Blusson Quantum Matter Institute de l’Université de Colombie-Britannique.
“Si nous pouvons développer une compréhension microscopique de ces phases de la matière quantique et de leurs phénomènes électroniques émergents, nous pourrons les exploiter en concevant des matériaux quantiques atome par atome pour de nouvelles applications électroniques, magnétiques et de détection.”
Les travaux de l’équipe sont publiés dans la revue Nature Physics.
