Les physiciens et collègues du MIT ont découvert de manière inattendue une nouvelle façon de faire connaître un état de la matière sous le nom de métal étrange. Les métaux étranges présentent un intérêt en raison de leur physique inhabituelle et du fait qu'ils ont été découverts dans les supraconducteurs à haute température, essentiels à plusieurs applications.
L’œuvre présente un mécanisme unique permettant de créer et d’étudier des métaux étranges, dont les électrons se comportent différemment de ceux d’un métal conventionnel comme le cuivre.
« Il s'agit d'une nouvelle approche potentielle pour concevoir ces matériaux inhabituels », a déclaré Joseph G. Checkelsky, chercheur principal de la recherche, dans un communiqué aux médias.
Selon Checkelsky et son équipe, une nouvelle façon de fabriquer des métaux étranges les aidera à développer une théorie unificatrice derrière leur comportement.
« Cela a été assez difficile jusqu'à présent et pourrait conduire à une meilleure compréhension d'autres matériaux, y compris les supraconducteurs à haute température », a déclaré Linda Ye, première auteure d'un article sur les travaux publiés dans Physique naturelle.
Comment est née la recherche
En 2018, Checkelsky a rendu compte d’une classe de matériaux quantiques connus sous le nom de métaux kagome. Les membres de la famille des métaux kagome sont composés de couches d'atomes disposées dans un réseau d'unités répétitives semblable à une étoile de David ou à un insigne de shérif. Le motif est également courant dans la culture japonaise, notamment en tant que motif de vannerie.
« Nous étions intéressés par le réseau de Kagome parce que la théorie montrait qu'il devrait héberger une variété de caractéristiques intéressantes pour les électrons qui y sont placés », a déclaré Ye.
En effet, dans un article de 2018, Ye, Checkelsky et ses collègues, dont Riccardo Comin et Liang Fu, ont rapporté que leur nouveau métal Kagome produisait des fermions de Dirac, des particules presque sans masse similaires aux photons qui transportent la lumière.
« Dans ce cas, les fermions de Dirac étaient plus ou moins attendus des calculs », a déclaré Ye. Mais les métaux étranges découverts dans les travaux actuels étaient complètement inattendus, et « cela nous amène vraiment à un nouveau régime ».
Après avoir découvert les fermions de Dirac, les chercheurs ont voulu voir s'ils pouvaient trouver une caractéristique encore plus intéressante dans le réseau de Kagome, appelée bande plate. Il s’agit d’un phénomène dans lequel les électrons restent essentiellement immobiles, même si chacun tourne toujours autour de son propre axe.
L’immobilisation des électrons leur permet de se parler. Et c’est à ce moment-là que se produisent toutes les choses intéressantes de la physique de la matière condensée.
Je cherche un bracelet plat
Plus précisément, l’équipe recherchait une bande plate au niveau de Fermi, qui peut être considérée comme la surface de l’océan. Ils l'ont trouvé et ont commencé à explorer les propriétés électriques du système soumis à une haute pression et à un champ magnétique.
Ils ont découvert que les électrons de la bande plate interagissent fortement avec les autres électrons du système. Le résultat peut encore une fois être comparé à l’océan. Les électrons non perturbés dans la bande plate peuvent être considérés comme une mer calme. Une fois qu’ils commencent à interagir avec les autres autour d’eux, la mer calme se transforme en une tempête déchaînée dans laquelle les électrons agissent de deux manières différentes. Le résultat : un métal étrange.
« Nous savions que la bande plate donnerait lieu à quelque chose d'intéressant, mais nous ne savions pas exactement ce que cela nous donnerait. Et ce que nous avons trouvé est un métal étrange », a déclaré Ye.
Elle a noté que les travaux montrent que le réseau Kagome est un « principe de conception très important pour les nouveaux états électroniques ». En conséquence, elle souhaite désormais étendre ses travaux à d’autres treillis.
