Matériaux quantiques : Spin électronique mesuré pour la première fois

9 juin 2023

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par l'Université de Bologne

Une équipe de recherche internationale a réussi pour la première fois à mesurer le spin des électrons dans la matière, c'est-à-dire la courbure de l'espace dans lequel les électrons vivent et se déplacent, au sein des "matériaux kagome", une nouvelle classe de matériaux quantiques.

Les résultats obtenus, publiés dans Nature Physics, pourraient révolutionner la manière dont les matériaux quantiques sont étudiés à l'avenir, ouvrant la porte à de nouveaux développements dans les technologies quantiques, avec des applications possibles dans des domaines technologiques variés, des énergies renouvelables à la biomédecine, de l'électronique à la ordinateurs quantiques.

Le succès a été obtenu grâce à une collaboration internationale de scientifiques, à laquelle Domenico Di Sante, professeur au Département de physique et d'astronomie "Augusto Righi", a participé pour l'Université de Bologne dans le cadre de son projet de recherche Marie Curie BITMAP. Il a été rejoint par des collègues du CNR-IOM Trieste, de l'Université Ca' Foscari de Venise, de l'Université de Milan, de l'Université de Würzburg (Allemagne), de l'Université de St. Andrews (Royaume-Uni), du Boston College et de l'Université de Santa Barbara (États-Unis).

Grâce à des techniques expérimentales avancées, utilisant la lumière générée par un accélérateur de particules, le Synchrotron, et grâce aux techniques modernes de modélisation du comportement de la matière, les chercheurs ont pu pour la première fois mesurer le spin des électrons, lié au concept de topologie.

"Si nous prenons deux objets comme un ballon de football et un beignet, nous remarquons que leurs formes spécifiques déterminent des propriétés topologiques différentes, par exemple parce que le beignet a un trou, alors que le ballon de football n'en a pas", explique Domenico Di Sante. "De même, le comportement des électrons dans les matériaux est influencé par certaines propriétés quantiques qui déterminent leur rotation dans la matière dans laquelle ils se trouvent, de la même manière que la trajectoire de la lumière dans l'univers est modifiée par la présence d'étoiles, de trous noirs, d'obscurité. la matière et l'énergie noire, qui courbent le temps et l'espace."

Bien que cette caractéristique des électrons soit connue depuis de nombreuses années, personne n'avait jusqu'à présent pu mesurer directement ce "spin topologique". Pour y parvenir, les chercheurs ont exploité un effet particulier appelé « dichroïsme circulaire » : une technique expérimentale spéciale qui ne peut être utilisée qu'avec une source synchrotron, qui exploite la capacité des matériaux à absorber la lumière différemment selon leur polarisation.

Les chercheurs se sont particulièrement concentrés sur les "matériaux kagome", une classe de matériaux quantiques qui doivent leur nom à leur ressemblance avec le tissage de fils de bambou entrelacés qui composent un panier japonais traditionnel (appelé, en effet, "kagome"). Ces matériaux révolutionnent la physique quantique et les résultats obtenus pourraient nous aider à en savoir plus sur leurs propriétés magnétiques, topologiques et supraconductrices particulières.

"Ces résultats importants ont été possibles grâce à une forte synergie entre la pratique expérimentale et l'analyse théorique", ajoute Di Sante. "Les chercheurs théoriques de l'équipe ont utilisé des simulations quantiques sophistiquées, uniquement possibles avec l'utilisation de supercalculateurs puissants, et ont ainsi guidé leurs collègues expérimentateurs vers la zone spécifique du matériau où l'effet de dichroïsme circulaire pouvait être mesuré."

Plus d'information: Domenico Di Sante et al, Séparation de bande plate et courbure de Berry de spin robuste dans les métaux kagome bicouches, Nature Physics (2023). DOI : 10.1038/s41567-023-02053-z

Informations sur la revue :Physique naturelle

Fourni par l'Université de Bologne