Les arcs de Fermi nouvellement découverts qui peuvent être contrôlés par le magnétisme pourraient être l’avenir de l’électronique basée sur les spins des électrons.
Ces nouveaux arcs de Fermi ont été découverts par une équipe de chercheurs du laboratoire Ames et de l’université d’État de l’Iowa, ainsi que par des collaborateurs des États-Unis, d’Allemagne et du Royaume-Uni. Au cours de leurs recherches sur le monopnictide de terres rares NdBi (néodyme-bismuth), l’équipe de recherche a découvert un nouveau type d’arc de Fermi qui est apparu à basse température lorsque le matériau est devenu antiferromagnétique, c’est-à-dire que les spins voisins pointent dans des directions opposées.
Les surfaces de Fermi dans les métaux sont une frontière entre les états d’énergie qui sont occupés et inoccupés par les électrons. Les surfaces de Fermi sont normalement des contours fermés formant des formes telles que des sphères, des ovoïdes, etc. Les électrons de la surface de Fermi contrôlent de nombreuses propriétés des matériaux telles que la conductivité électrique et thermique, les propriétés optiques, etc. Dans des cas extrêmement rares, la surface de Fermi contient des segments déconnectés qui sont connus sous le nom d’arcs de Fermi et sont souvent associés à des états exotiques comme la supraconductivité.
Gauche : Progression visuelle de la séparation de la bande magnétique lorsque la température diminue. A droite : Le graphique du haut montre le comportement connu de la séparation des bandes Zeeman et Rashba. Le graphique du bas montre le comportement de séparation de bande nouvellement observé. Crédit : Laboratoire Ames
Adam Kaminski, chef de l’équipe de recherche, a expliqué que les arcs de Fermi nouvellement découverts sont le résultat du fractionnement de la bande d’électrons, qui résulte de l’ordre magnétique des atomes de Nd qui constituent 50% de l’échantillon. Cependant, le fractionnement des électrons que l’équipe a observé dans le NdBi n’était pas un comportement typique de fractionnement de bande.
Il existe deux types établis de séparation de bande, Zeeman et Rashba. Dans les deux cas, les bandes conservent leur forme initiale après la séparation. La séparation de bande observée par l’équipe de recherche a donné lieu à deux bandes de formes différentes. Lorsque la température de l’échantillon a diminué, la séparation entre ces bandes a augmenté et les formes des bandes ont changé, ce qui indique un changement de la masse du fermion.
“Ce fractionnement est très, très inhabituel, car non seulement la séparation entre ces bandes augmente, mais elles changent également de courbure”, a déclaré Kaminski. “C’est très différent de tout ce que les gens ont observé jusqu’à présent”.
Les cas précédemment connus d’arcs de Fermi dans les semi-métaux de Weyl persistent car ils sont causés par la structure cristalline du matériau qui est difficile à contrôler. Cependant, les arcs de Fermi que l’équipe a découverts dans le NdBi sont induits par l’ordre magnétique des atomes de Nd dans l’échantillon. Cet ordre peut être facilement modifié en appliquant un champ magnétique, et éventuellement en remplaçant l’ion Nd par un autre ion de terre rare tel que le cérium, le praséodyme ou le samarium (Ce, Pr ou Sm). Le laboratoire Ames étant un leader mondial dans la recherche sur les terres rares, de tels changements de composition peuvent être facilement explorés.
“Ce nouveau type d’arcs de Fermi apparaît chaque fois que l’échantillon devient antiferromagnétique. Ainsi, lorsque l’échantillon développe un ordre magnétique, ces arcs apparaissent apparemment de nulle part”, a déclaré Kaminski.
Selon Kaminski, une autre caractéristique importante de ces nouveaux arcs de Fermi est qu’ils présentent ce que l’on appelle une texture de spin. Dans les métaux normaux, chaque état électronique est occupé par deux électrons, l’un ayant un spin positif, l’autre un spin négatif, de sorte qu’il n’y a pas de spin net. Les arcs de Fermi récemment découverts présentent une seule orientation de spin à chacun de leurs points. Comme ils n’existent que dans un état magnétiquement ordonné, les arcs peuvent être activés et désactivés très rapidement en appliquant une impulsion magnétique, par exemple à partir d’un laser ultrarapide.
“Le fait de disposer d’une telle décoration ou texture de spin est important car l’une des quêtes de l’électronique est de s’éloigner de l’électronique basée sur les charges. Tout ce que vous utilisez actuellement est basé sur le déplacement d’électrons dans des fils, ce qui entraîne une dissipation”, a déclaré M. Kaminski.
La capacité de contrôler le spin des électrons est liée à une nouvelle branche de la technologie de l’information appelée spintronique, qui est basée sur le spin des électrons plutôt que sur le déplacement des charges le long des fils.
“Au lieu de déplacer une charge, nous inversons l’orientation du spin ou provoquons la propagation du spin le long du fil”, a expliqué M. Kaminski. “Ces changements de spin ne devraient techniquement pas dissiper d’énergie, donc cela ne coûte pas beaucoup d’énergie de stocker des informations sous forme de spin ou de déplacer des informations sous forme de spin.”
Kaminski a souligné l’importance de cette découverte pour le domaine, mais il a déclaré qu’il y a encore beaucoup de travail à faire avant que ces découvertes puissent être utilisées dans de nouvelles technologies.
Référence :”Emergence of Fermi arcs due to magnetic splitting in an antiferromagnet,” par Benjamin Schrunk, Yevhen Kushnirenko, Brinda Kuthanazhi, Junyeong Ahn, Lin-Lin Wang, Evan O’Leary, Kyungchan Lee, Andrew Eaton, Alexander Fedorov, Rui Lou, Vladimir Voroshnin, Oliver J. Clark, Jamie Sánchez-Barriga, Sergey L. Bud’ko, Robert-Jan Slager, Paul C. Canfield et Adam Kaminski, 23 mars 2022, Nature.
DOI : https://doi.org/10.1038/s41586-022-04412-x
La croissance et la caractérisation des cristaux ont été soutenues par le Center for the Advancement of Topological Semimetals (CATS), un centre de recherche sur les frontières de l’énergie financé par le DOE américain, Office of Basic Energy Sciences.
Le laboratoire d’Ames est un laboratoire national de l’Office of Science du ministère américain de l’énergie, exploité par l’université d’État de l’Iowa. L’Ames Laboratory crée des matériaux, des technologies et des solutions énergétiques innovants. Nous utilisons notre expertise, nos capacités uniques et nos collaborations interdisciplinaires pour résoudre des problèmes mondiaux.
L’Ames Laboratory est soutenu par l’Office of Science du ministère de l’Énergie des États-Unis. L’Office of Science est le plus grand soutien de la recherche fondamentale en sciences physiques aux États-Unis et travaille à relever certains des défis les plus pressants de notre époque.
