Crédit : Lucy Reading-Ikkanda/Simons Foundation
La “frustration géométrique” peut amener les électrons des matériaux dont les atomes sont disposés en triangle à s’organiser simultanément de trois manières différentes, révèle une nouvelle étude informatique menée par des chercheurs du Flatiron Institute.
Les matériaux qui ressemblent à des mosaïques de tuiles triangulaires au niveau atomique ont parfois des propriétés paradoxales, et les physiciens quantiques ont enfin trouvé pourquoi.
En utilisant une combinaison de techniques de calcul de pointe, les scientifiques ont découvert que, dans des conditions particulières, ces matériaux à motifs triangulaires peuvent se retrouver dans un mélange de trois phases différentes en même temps. Les phases concurrentes se chevauchent, chacune luttant pour la domination. En conséquence, le matériau devient contre-intuitivement plus ordonné lorsqu’il est chauffé. Physical Review X.
“Il s’agit d’un territoire inexploré”, déclare l’auteur principal de l’étude, Alexander Wietek, chargé de recherche au Center for Computational Quantum Physics (CCQ) du Flatiron Institute à New York. “Les expérimentateurs avaient observé ces propriétés particulières, mais ils ne savaient pas ce que faisaient les électrons individuels dans les matériaux. Notre rôle en tant que théoriciens est de comprendre de bas en haut ce qui se passe réellement.”
Selon M. Wietek, ces découvertes pourraient aider les chercheurs à développer des matériaux pour l’électronique du futur. En effet, les propriétés étranges, dit-il, sont révélatrices d’un état insaisissable de la matière recherché pour une utilisation potentielle dans les systèmes de correction d’erreurs. l’informatique quantique.
Les co-auteurs de Wietek sur le nouvel article sont Riccardo Rossi, chercheur au CCQ, Miles Stoudenmire, chercheur au CCQ et Antoine Georges, directeur du CCQ.
Dans certaines conditions, les électrons dans un réseau triangulaire ont un comportement étrange. De nouvelles recherches montrent que les électrons tentent de s’organiser simultanément de trois manières différentes. Cette animation démontre chaque ordre : colonnes alternées, angles séparés par 120 degrés et un motif de torsion en trois dimensions. Crédit : Lucy Reading-Ikkanda/Simons Foundation
Les chercheurs ont étudié le comportement des électrons dans les matériaux. Les électrons déterminent presque toutes les propriétés d’un matériau, du magnétisme à la conductivité et même à la couleur.
Saisir le comportement collectif des électrons est une tâche monumentale. Lorsque deux particules interagissent, elles s’enchevêtrent l’une dans l’autre sur le plan de la mécanique quantique. Même lorsqu’elles sont séparées, leurs destins restent liés et elles ne peuvent être traitées séparément.
Le comportement des électrons dans un matériau dépend de la disposition des atomes, et la disposition en réseau triangulaire est fascinante. En effet, les électrons ont un spin, qui peut être dirigé vers le haut ou vers le bas. Un électron peut, par exemple, vouloir avoir une direction de spin différente de celle de ses voisins. Mais dans un triangle composé de trois atomes et de seulement deux directions de spin, “quelqu’un sera toujours malheureux”, explique Wietek. “Cela fait fluctuer le système parce qu’il ne sait pas vraiment quoi faire”. Les physiciens quantiques appellent cela la “frustration géométrique”.
Les expérimentateurs avaient déjà observé un comportement inattendu dans les matériaux à réseau triangulaire, comme dans les couches torsadées de diséléniure de tungstène ou de nitrure de bore. Wietek et ses collègues ont enquêté en mettant en place un modèle simple pour voir ce que faisaient les électrons. Leur modèle est une grille de triangles, chaque point de connexion servant de site que les électrons peuvent habiter. Chaque site peut accueillir jusqu’à deux électrons, à condition qu’ils aient des spins opposés. Dans le modèle, il y a autant d’électrons que de sites.
Une infographie qui explore le comportement surprenant des électrons dans les matériaux ayant une structure triangulaire sous-jacente. Crédit : Lucy Reading-Ikkanda/Simons Foundation
Malgré l’apparente simplicité du modèle, le calcul du comportement collectif des électrons était décourageant. Les chercheurs ont donc combiné trois méthodes de calcul différentes, chacune apportant des atouts uniques au problème. L’utilisation d’un si grand nombre d’approches pour résoudre un problème est un changement culturel récent dans le domaine qui permet aux physiciens de s’attaquer à des problèmes plus épineux, explique Wietek.
Les chercheurs ont pu modifier les conditions de leur modèle en augmentant la température ou en changeant la force d’interaction entre les électrons. Les températures plus élevées fournissent aux électrons plus d’énergie, ce qui entraîne généralement des fluctuations plus importantes. Une interaction plus forteLa force de l’interaction entraîne la fixation des électrons sur un seul site, un phénomène appelé localisation.
Les chercheurs ont effectué leurs calculs avec différentes températures et forces d’interaction. Ils ont observé que le modèle passait d’une phase métallique à une phase isolante. La phase isolante était particulièrement intrigante. En général, l’augmentation de la température entraîne une fluctuation libre des électrons et un désordre accru. Mais dans le cas du réseau triangulaire, les électrons ont préféré se localiser et devenir plus ordonnés à mesure que le thermostat augmentait.
En observant ce que faisaient les électrons, les chercheurs ont découvert la cause de cet effet paradoxal : Les électrons tentaient de s’organiser simultanément de trois manières différentes. Lorsque la température du matériau augmente, cet effet disparaît et le matériau devient plus ordonné.
Dans la première des trois tentatives d’organisation, les électrons ont essayé de créer des colonnes alternées d’électrons pointant soit vers le haut soit vers le bas.
Dans le deuxième ordre, les électrons se sont inclinés. Bien que le spin d’un électron puisse pointer vers le haut ou vers le bas, il peut s’incliner à un angle. Dans ce cas, les trois électrons de chacun des triangles du réseau s’orientent de manière à ce que leurs angles soient étalés, chaque angle étant séparé de 120 degrés.
Le troisième ordonnancement était le plus excitant. Les électrons s’alignent de telle sorte que leurs angles de spin présentent un modèle de torsion à droite ou à gauche en trois dimensions, les spins fluctuant constamment. Cette configuration pourrait indiquer que le système forme un état de la matière appelé liquide de spin chiral. Une telle phase est souhaitée pour être utilisée dans les ordinateurs quantiques afin d’éviter les erreurs.
Pourtant, le modèle des chercheurs n’a pas révélé tous les secrets des matériaux à réseau triangulaire. Par exemple, certains de ces matériaux présentent une supraconductivité, dans laquelle les électrons circulent librement sans perdre d’énergie, ce que les chercheurs n’ont pas observé. Ils prévoient ensuite de répéter leur modèle avec différentes quantités d’électrons pour voir si la supraconductivité apparaît.
“C’est une période vraiment passionnante car les méthodes dont nous disposons nous permettent de faire des déclarations sur ces systèmes”, déclare Wietek. “Cela a changé au cours des cinq dernières années que ces méthodes sont devenues assez puissantes pour aborder ces problèmes qui, dans les décennies précédentes, avaient été considérés comme trop difficiles.”
Référence : “Mott Insulating States with Competing Orders in the Triangular Lattice Hubbard Model” par Alexander Wietek, Riccardo Rossi, Fedor Šimkovic, IV, Marcel Klett, Philipp Hansmann, Michel Ferrero, E. Miles Stoudenmire, Thomas Schäfer et Antoine Georges, 19 octobre 2021, Physical Review X.
DOI: 10.1103/PhysRevX.11.041013
