Les super-réseaux moirés sont des matériaux constitués de deux couches empilées l’une sur l’autre avec soit un petit désalignement de rotation, soit un décalage de réseau entre elles. Le modèle de réseau de Kondo, quant à lui, décrit des systèmes dans lesquels les électrons de conduction interagissent avec des impuretés magnétiques localisées, ce qui modifie les propriétés électriques et magnétiques des systèmes.
Ces dernières années, les physiciens ont réussi à concevoir des matériaux combinant les propriétés physiques de ces deux types de systèmes. Ces matériaux, connus sous le nom de réseaux moirés de Kondo, sont essentiellement des structures de super-réseaux moirés avec un arrangement périodique de moments magnétiques localisés, ressemblant à celui décrit par le modèle de réseau de Kondo.
Des chercheurs de l’Institut Kavli de Cornell pour la science à l’échelle nanométrique, de l’Université Cornell et de l’Institut national de science des matériaux au Japon ont synthétisé et examiné les réseaux moirés de Kondo, dans l’espoir de mieux comprendre leur physique sous-jacente.
Leur article le plus récent, publié dans Physique naturellerapporte l’émergence du ferromagnétisme au début d’une rupture de Kondo adaptée à la densité dans les bicouches moirées MoTe2/WSe2.
« Notre travail s’appuie sur notre précédent rapport sur la réalisation d’un système de réseau Kondo moiré électriquement accordable », a déclaré Kin Fai Mak, co-auteur de l’article, à Phys.org. « Nous y avons rapporté la fabrication d’un réseau artificiel de Kondo utilisant des semi-conducteurs moirés et l’observation de fermions lourds accordables par porte. »
Un objectif clé des efforts de recherche sur la physique des réseaux de Kondo est de mieux comprendre comment les fermions lourds de ces systèmes se décomposent sous différents paramètres externes, tels que la densité de dopage, le champ magnétique et la force d’interaction. Cette rupture, connue sous le nom de transition de destruction de Kondo, s’accompagne souvent de l’émergence d’états exotiques de la matière (par exemple, la phase liquide non Fermi et la supraconductivité non conventionnelle).
Dans leurs recherches précédentes, Mak et ses collègues ont conçu un système de réseau Kondo moiré hautement réglable basé sur les bicouches moirées MoTe2/WSe2. Ce matériau offre une opportunité unique d’examiner la transition de destruction de Kondo de manière continue, ce qui s’est révélé très difficile dans le cas des matériaux à fermions lourds en vrac.
« Dans ce contexte, notre Physique naturelle L’article a étudié le sort des fermions lourds en ajustant continuellement la densité des porteurs itinérants dans le système, ce qui ajuste la force de couplage effective de Kondo », a déclaré Mak. « Près d’une densité critique, nous avons observé une destruction des fermions lourds et la simultanéité émergence d’un isolant ferromagnétique Anderson.
Dans le cadre de leur nouvelle étude, les chercheurs ont examiné la physique du réseau de Kondo émergeant dans le semi-conducteur moiré : hétérobicouche MoTe2/WSe2 à angle aligné présentée dans leur article précédent. Leurs résultats mettent en évidence la promesse des réseaux moirés de Kondo pour étudier la transition de destruction de Kondo à l’aide d’une plate-forme accordable, ainsi que la possibilité de réaliser d’autres états exotiques de la matière à proximité d’une telle transition.
« Un réseau moiré apparaît dans le matériau en raison de l’inadéquation du réseau de 7 % entre MoTe2 et WSe2 », a expliqué Mak. « En conséquence, aucun angle de torsion n’est requis pour créer le potentiel de super-réseau moiré. Nous avons fabriqué des dispositifs à barre de Hall à double porte ; le dispositif permet un contrôle indépendant de la densité de dopage totale dans le matériau ainsi que de la répartition relative des densités de dopage dans chaque couche de dichalcogénure de métal de transition.
Grâce à leur stratégie de fabrication, Mak et ses collègues ont pu préparer leur matériel dans le régime de réseau de Kondo, ce qui leur a permis d’étudier en continu la transition de destruction de Kondo au fur et à mesure qu’elle se produisait. Pour sonder l’émergence d’états magnétiques à proximité de cette transition de phase, ils ont utilisé une combinaison de spectroscopie magnéto-transport et magnéto-optique.
« Nous avons mesuré la réponse Hall anormale et le dichroïsme circulaire spontané dans le matériau pour démontrer l’émergence d’un isolant ferromagnétique Anderson », a déclaré Mak. « Nous avons également examiné les propriétés de transport dépendant de la température et du champ magnétique pour montrer que l’isolant ferromagnétique d’Anderson émerge près de la transition de destruction de Kondo. »
Les mesures recueillies par cette équipe de recherche ont donné des résultats intéressants. Alors que leur matériau s’approchait de la transition de destruction de Kondo adaptée à la densité, Mak et ses collègues ont observé l’apparition presque simultanée d’une transition métal-isolant et d’une transition de phase quantique magnétique.
« Étant donné que les deux transitions impliquent des degrés de liberté différents (l’un est la charge et l’autre le spin), l’apparition des deux transitions à presque la même densité critique est inattendue », a déclaré Mak. « L’observation invite à de nouvelles idées sur la façon de décrire cette transition sans recourir à un réglage fin des paramètres en théorie. »
Lorsque leur matériau s’est approché de la transition de destruction de Kondo, l’équipe a également observé des corrélations ferromagnétiques. Cette observation contraste avec la plupart des études précédentes portant sur d’autres transitions de destruction de Kondo connues, qui rapportaient plutôt des corrélations et un ordre magnétiques antiferromagnétiques.
L’étude récente de Mak et de ses collègues ouvre ainsi de nouvelles opportunités intéressantes pour l’étude de la transition de destruction de Kondo. Plus précisément, cela permet d’étudier cette transition dans un régime différent, marqué par le ferromagnétisme au lieu de l’antiferromagnétisme.
« Un plan immédiat pour des recherches plus approfondies sera de pousser la transition de destruction du Kondo à se produire à des densités critiques plus élevées en modifiant l’angle de torsion du matériau », a déclaré Mak. « On s’attend à beaucoup moins d’impact des troubles à des densités critiques plus élevées, ce qui nous permet d’étudier la transition de phase quantique de manière plus intrinsèque.
« Des études théoriques antérieures ont prédit les signatures de liquides à spin quantique dans le régime intrinsèque, où des liquides exotiques non Fermi pourraient également émerger. »
Dans leurs prochaines études, les chercheurs prévoient également de rechercher des états topologiques émergents de la matière dans le régime de réseau de Kondo. Ceci sera réalisé en examinant le réseau moiré de Kondo qu’ils ont synthétisé tout en augmentant encore la densité des porteurs de charge itinérants.
« Des études théoriques récentes ont souligné que l’interaction Kondo dans notre système matériel est chirale, ouvrant ainsi la porte à la réalisation d’isolateurs topologiques Kondo et de semi-métaux topologiques Kondo », a ajouté Mak. « Nous recherchons activement les signatures de transport et thermodynamiques de ces phases de la matière. »
Plus d’informations :
Wenjin Zhao et al, Émergence du ferromagnétisme au début de la rupture du moiré Kondo, Physique naturelle (2024). DOI : 10.1038/s41567-024-02636-4
© 2024 Réseau Science X