Des scientifiques identifient un état magnétique longtemps recherché et prédit il y a près de 60 ans.
Des scientifiques du laboratoire national de Brookhaven du ministère américain de l’énergie ont découvert un état magnétique de la matière prédit depuis longtemps, appelé “isolant excitonique antiferromagnétique.”
“De manière générale, il s’agit d’un nouveau type d’aimant”, a déclaré Mark Dean, physicien du Brookhaven Lab, auteur principal d’un article décrivant la recherche qui vient d’être publié dans Nature Communications. “Comme les matériaux magnétiques sont au cœur de la plupart des technologies qui nous entourent, les nouveaux types d’aimants sont à la fois fondamentalement fascinants et prometteurs pour les applications futures.”
Le nouvel état magnétique implique une forte attraction magnétique entre les électrons dans un matériau stratifié qui fait que les électrons veulent arranger leurs moments magnétiques, ou “spins”, dans un modèle régulier haut-bas “antiferromagnétique”. L’idée qu’un tel antiferromagnétisme puisse être dû à un couplage électronique bizarre dans un matériau isolant a été prédite pour la première fois dans les années 1960, lorsque les physiciens ont exploré les différentes propriétés des métaux, des semi-conducteurs et des isolants.
Une impression d’artiste de la façon dont l’équipe a identifié cette phase historique de la matière. Les chercheurs ont utilisé des rayons X pour mesurer le mouvement des spins (flèches bleues) lorsqu’ils sont perturbés et ont pu montrer qu’ils oscillent en longueur selon le schéma illustré ci-dessus. Ce comportement particulier s’explique par le fait que la quantité de charge électrique à chaque site (représentée par des disques jaunes) peut également varier et constitue l’empreinte digitale utilisée pour identifier ce nouveau comportement. Crédit : Brookhaven National Laboratory
“Il y a soixante ans, les physiciens commençaient tout juste à considérer comment les règles de la mécanique quantique s’appliquent aux propriétés électroniques des matériaux”, a déclaré Daniel Mazzone, un ancien physicien du Brookhaven Lab qui a dirigé l’étude et qui se trouve maintenant à l’Institut Paul Scherrer en Suisse. “Ils ont essayé de comprendre ce qui se passe lorsque l’écart d’énergie électronique entre un isolant et un conducteur devient de plus en plus petit. Est-ce que vous transformez simplement un simple isolant en un simple métal où les électrons peuvent se déplacer librement, ou est-ce que quelque chose de plus intéressant se produit ?”
La prédiction était que, sous certaines conditions, vous pouviez obtenir quelque chose de plus intéressant : à savoir, “l’isolant excitonique antiferromagnétique” que vient de découvrir l’équipe de Brookhaven.
Pourquoi ce matériau est-il si exotique et intéressant ? Pour comprendre, plongeons dans ces termes et explorons comment se forme ce nouvel état de la matière.
Dans un antiferromagnétique, les électrons des atomes adjacents ont leurs axes de polarisation magnétique (spins) alignés dans des directions alternées : haut, bas, haut, bas et ainsi de suite. À l’échelle de l’ensemble du matériau, ces orientations magnétiques internes alternées s’annulent les unes les autres, de sorte qu’il n’y a pas de magnétisme net dans l’ensemble du matériau. De tels matériaux peuvent passer rapidement d’un état à l’autre. Ils sont également résistants à la perte d’informations due à l’interférence de champs magnétiques externes. Ces propriétés rendent les matériaux antiferromagnétiques intéressants pour les technologies de communication modernes.
Les membres de l’équipe de recherche sont : Daniel Mazzone (anciennement du Brookhaven Lab, maintenant à l’Institut Paul Scherrer en Suisse), Yao Shen (Brookhaven Lab), Gilberto Fabbris (Argonne National Laboratory), Hidemaro Suwa (Université de Tokyo et Université du Tennessee), Hu Miao (Oak Ridge National Laboratory-ORNL), Jennifer Sears* (Brookhaven Lab), Jian Liu (U Tennessee), Christian Batista (U Tennessee et ORNL), et Mark Dean (Brookhaven Lab). Crédit : diverses sources dont *DESY, Marta Mayer.
Ensuite, nous avons les excitons. Les excitons apparaissent lorsque certaines conditions permettent aux électrons de se déplacer et d’interagir fortement les uns avec les autres pour former des états liés. Les électrons peuvent également former des états liés avec des “trous”, c’est-à-dire les vides laissés par les électrons qui changent de position ou de niveau d’énergie dans un matériau. Dans le cas des interactions électron-électron, la liaison est due à des attractions magnétiques suffisamment fortes pour surmonter la force de répulsion entre les deux particules de même charge. Dans le cas des interactions électron-trou, l’attraction doit être suffisamment forte pour surmonter la “lacune énergétique” du matériau, caractéristique d’un isolant.
“Un isolant est l’opposé d’un métal ; c’est un matériau qui ne conduit pas l’électricité”, explique M. Dean. Les électrons dans le matériau restent généralement dans un état d’énergie faible, ou “sol”. “Les électrons sont tous coincés en place, comme des personnes dans une maison remplie d’eau.amphithéâtre ; ils ne peuvent pas se déplacer”, a-t-il déclaré. Pour que les électrons se déplacent, il faut leur donner un surcroît d’énergie suffisamment important pour surmonter un écart caractéristique entre l’état fondamental et un niveau d’énergie supérieur.
Dans des circonstances très particulières, le gain d’énergie provenant des interactions électron-trou magnétiques peut dépasser le coût énergétique des électrons qui franchissent l’écart énergétique.
Maintenant, grâce à des techniques avancées, les physiciens peuvent explorer ces circonstances spéciales pour apprendre comment l’état d’isolant excitonique antiferromagnétique émerge.
Une équipe a travaillé avec un matériau appelé oxyde de strontium et d’iridium (Sr3Ir2O7), qui est à peine isolant à haute température. Daniel Mazzone, Yao Shen (Brookhaven Lab), Gilberto Fabbris (Argonne National Laboratory) et Jennifer Sears (Brookhaven Lab) ont utilisé des rayons X à l’Advanced Photon Source, une installation du DOE Office of Science située à Argonne National Laboratory, pour mesurer les interactions magnétiques et le coût énergétique associé au déplacement des électrons. Jian Liu et Junyi Yang de l’Université du Tennessee et les scientifiques d’Argonne Mary Upton et Diego Casa ont également apporté des contributions importantes.
L’équipe a commencé ses recherches à haute température et a progressivement refroidi le matériau. Avec le refroidissement, l’écart énergétique s’est progressivement réduit. À 285 Kelvin (environ 53 degrés Fahrenheit), electrons started jumping between the magnetic layers of the material but immediately formed bound pairs with the holes they’d left behind, simultaneously triggering the antiferromagnetic alignment of adjacent electron spins. Hidemaro Suwa and Christian Batista of the University of Tennessee performed calculations to develop a model using the concept of the predicted antiferromagnetic excitonic insulator, and showed that this model comprehensively explains the experimental results.
“Using x-rays we observed that the binding triggered by the attraction between electrons and holes actually gives back more energy than when the electron jumped over the band gap,” explained Yao Shen. “Because energy is saved by this process, all the electrons want to do this. Then, after all electrons have accomplished the transition, the material looks different from the high-temperature state in terms of the overall arrangement of electrons and spins. The new configuration involves the electron spins being ordered in an antiferromagnetic pattern while the bound pairs create a ‘locked-in’ insulating state.”
The identification of the antiferromagnetic excitonic insulator completes a long journey exploring the fascinating ways electrons choose to arrange themselves in materials. In the future, understanding the connections between spin and charge in such materials could have potential for realizing new technologies.
Brookhaven Lab’s role in this research was funded by the DOE Office of Science, with collaborators receiving funding from a range of additional sources noted in the paper. The scientists also used computational resources of the Oak Ridge Leadership Computing Facility, a DOE Office of Science user facility at Oak Ridge National Laboratory.
Reference: “Antiferromagnetic Excitonic Insulator State in Sr3Ir2O7” by D. G. Mazzone, Y. Shen, H. Suwa, G. Fabbris, J. Yang, S.-S. Zhang, H. Miao, J. Sears, Ke Jia, Y. G. Shi, M. H. Upton, D. M. Casa, X. Liu, Jian Liu, C. D. Batista and M. P. M. Dean, 17 February 2022, Nature Communications.
DOI: 10.1038/s41467-022-28207-w
