Des physiciens découvrent une nouvelle phase électronique de la matière

Un groupe de physiciens des États-Unis et d’Israël a découvert une nouvelle phase de la matière qui se caractérise par un ordre inhabituel des électrons.

Représentation artistique de domaines d’ordre multipolaire séparés dans l’espace dans un cristal d’oxyde de strontium-iridium (Sr2IrO4).₂IrO₄) ; l’orientation de l’ordre multipolaire dans chaque domaine est représentée par l’objet multilobé. Crédit image : Liuyan Zhao.

“La découverte de cette phase était complètement inattendue et ne reposait sur aucune prédiction théorique préalable. Tout le domaine des matériaux électroniques est stimulé par la découverte de nouvelles phases, qui fournissent les terrains de jeu dans lesquels rechercher de nouvelles propriétés physiques macroscopiques”, a déclaré le Dr David Hsieh du California Institute of Technology à Pasadena, en Californie.

Le Dr Hsieh et ses collègues de l’Université de Tel Aviv, de l’Institut de technologie de Californie, de l’Université d’État de l’Iowa et de l’Université du Kentucky ont fait cette découverte en testant une technique de mesure par laser qu’ils ont récemment développée pour rechercher ce que l’on appelle l’ordre multipolaire.

“Pour comprendre l’ordre multipolaire, il faut d’abord considérer un cristal dont les électrons se déplacent à l’intérieur. Dans certaines conditions, il peut être énergétiquement favorable pour ces charges électriques de s’empiler de manière régulière et répétitive à l’intérieur du cristal, formant ce que l’on appelle une phase d’ordre de charge”, ont déclaré les scientifiques.

“L’élément constitutif de ce type d’ordre, à savoir la charge, est simplement une quantité scalaire – c’est-à-dire qu’elle peut être décrite par une simple valeur numérique, ou magnitude. En plus de la charge, les électrons ont également un degré de liberté connu sous le nom de spin.”

“Lorsque les spins s’alignent parallèlement les uns aux autres, ils forment un ferromagnétique. Comme le spin a à la fois une magnitude et une direction, une phase ordonnée en spin est décrite par un vecteur. “

Au cours de plusieurs décennies, les scientifiques ont développé des techniques sophistiquées pour rechercher ces deux types de phases.

“Mais que se passe-t-il si les électrons d’un matériau ne sont pas ordonnés de l’une de ces manières ? En d’autres termes, que se passerait-il si l’ordre était décrit non pas par un scalaire ou un vecteur, mais par quelque chose ayant plus de dimensionnalité, comme une matrice ?”

“Cela pourrait se produire, par exemple, si l’élément constitutif de la phase ordonnée était une paire de spins pointant dans des directions opposées décrite par ce que l’on appelle un quadripôle magnétique. De tels exemples de phases ordonnées multipolaires de la matière sont difficiles à détecter à l’aide des sondes expérimentales traditionnelles.”

Il s’avère que la nouvelle phase que le Dr Hsieh et ses co-auteurs ont identifiée est précisément ce type d’ordre multipolaire.

Pour détecter l’ordre multipolaire, l’équipe a utilisé un effet appelé génération d’harmoniques optiques, qui se manifeste dans tous les solides, mais qui est généralement extrêmement faible.

“En général, lorsque vous regardez un objet éclairé par une seule fréquence de lumière, toute la lumière que vous voyez réfléchie par l’objet est à cette fréquence. Lorsque vous faites briller un pointeur laser rouge sur un mur, par exemple, votre œil détecte la lumière rouge.”

“Cependant, pour tous les matériaux, il y a une infime quantité de lumière qui rebondit à des multiples entiers de la fréquence entrante. Ainsi, avec le pointeur laser rouge, il y aura aussi de la lumière bleue qui rebondira sur le mur. Vous ne la voyez pas, car elle ne représente qu’un faible pourcentage de la lumière totale. Ces multiples sont appelés harmoniques optiques.”

Les physiciens ont exploité le fait que les changements dans la symétrie d’un cristal affectent différemment la force de chaque harmonique.

Comme l’émergence d’un ordre multipolaire modifie la symétrie du cristal d’une manière très spécifique, leur idée était que la réponse harmonique optique d’un cristal pouvait servir d’empreinte digitale de l’ordre multipolaire.

“Nous avons constaté que la lumière réfléchie à la fréquence de la seconde harmonique révélait un ensemble de symétries complètement différentes de celles de la structure cristalline connue, alors que cet effet était complètement absent pour la lumière réfléchie à la fréquence fondamentale. Il s’agit d’une empreinte très claire d’un type spécifique d’ordre multipolaire”, a déclaré le Dr Hsieh.

Le composé spécifique étudié par l’équipe est l’oxyde de strontium-iridium (Sr₂IrO₄).

Au cours des dernières années, l’oxyde de strontium-iridium a suscité un grand intérêt en raison de certaines caractéristiques qu’il partage avec les composés à base d’oxyde de cuivre.(cuprates).

Comme les cuprates, les iridates sont des antiferromagnétiques électriquement isolants qui deviennent de plus en plus métalliques lorsque des électrons leur sont ajoutés ou retirés par un processus appelé dopage chimique.

Un niveau de dopage suffisamment élevé transformera les cuprates en supraconducteurs à haute température, et lorsque les cuprates passent du statut d’isolant à celui de supraconducteur, ils passent d’abord par une phase mystérieuse connue sous le nom de pseudogap, où une quantité supplémentaire d’énergie est nécessaire pour extraire des électrons du matériau.

Pendant des années, les physiciens ont débattu de l’origine du pseudo-gap et de sa relation avec la supraconductivité – s’il s’agit d’un précurseur nécessaire à la supraconductivité ou d’une phase concurrente avec un ensemble distinct de propriétés de symétrie.

Si cette relation était mieux comprise, il serait possible de développer des matériaux supraconducteurs à des températures proches de la température ambiante.

Récemment, une phase de pseudogap a également été observée dans l’oxyde de strontium-iridium. Le Dr Hsieh et ses co-auteurs ont découvert que l’ordre multipolaire qu’ils ont identifié existe dans une fenêtre de dopage et de température où le pseudo-gap est présent.

“Étant donné la phénoménologie très similaire des iridates et des cuprates, les iridates nous aideront peut-être à résoudre certains des débats de longue date sur la relation entre le pseudogap et la supraconductivité à haute température”, a déclaré le Dr Hsieh.

“Cette découverte souligne l’importance de développer de nouveaux outils pour essayer de découvrir de nouveaux phénomènes.”

“De plus, ces ordres multipolaires pourraient exister dans beaucoup plus de matériaux. Sr₂IrO₄ est la première chose que nous avons examinée, donc ces commandes pourraient très bien se cacher dans d’autres matériaux également, et c’est exactement ce que nous recherchons ensuite”, a-t-il déclaré.

Les résultats ont été publiés aujourd’hui dans le journal Nature Physics.