Dans une étude publié dans Communications naturellesune équipe de scientifiques dirigée par Qimiao Si de l’Université Rice prédit l’existence de bandes électroniques plates au niveau de Fermi, une découverte qui pourrait permettre de nouvelles formes d’informatique quantique et d’appareils électroniques.
Les matériaux quantiques sont régis par les règles de la mécanique quantique, où les électrons occupent des états énergétiques uniques. Ces états forment une échelle dont le barreau le plus élevé est appelé énergie de Fermi.
Les électrons, étant chargés, se repoussent et se déplacent de manière corrélée. L’équipe de Si a découvert que les interactions électroniques peuvent créer de nouvelles bandes plates au niveau de Fermi, renforçant ainsi leur importance.
« La plupart des bandes plates sont situées loin de l’énergie de Fermi, ce qui limite leur impact sur les propriétés du matériau », a déclaré Si, professeur Harry C. et Olga K. Wiess de physique et d’astronomie à Rice.
Généralement, l’énergie d’une particule change avec son élan. Mais en mécanique quantique, les électrons peuvent présenter des interférences quantiques, dans lesquelles leur énergie reste stable même lorsque leur impulsion change. On les appelle bandes plates.
« Les bandes électroniques plates peuvent améliorer les interactions électroniques, créant potentiellement de nouvelles phases quantiques et des comportements inhabituels à faible énergie », a déclaré Si.
Ces bandes sont particulièrement recherchées dans les ions de métaux de transition appelés matériaux à électrons D dotés de réseaux cristallins spécifiques, où elles présentent souvent des propriétés uniques, a déclaré Si.
Les découvertes de l’équipe suggèrent de nouvelles façons de les concevoir, qui pourraient inspirer de nouvelles applications pour ces matériaux dans les bits quantiques, les qubits et la spintronique. Leurs recherches montrent que les interactions électroniques peuvent relier les états électroniques immobiles et mobiles.
À l’aide d’un modèle théorique, les chercheurs ont démontré que ces interactions peuvent créer un nouveau type d’effet Kondo, dans lequel les particules immobiles gagnent en mobilité en interagissant avec des électrons mobiles à l’énergie de Fermi. L’effet Kondo décrit la diffusion des électrons de conduction dans un métal en raison d’impuretés magnétiques, entraînant un changement caractéristique de la résistivité électrique avec la température.
« L’interférence quantique peut activer l’effet Kondo, nous permettant ainsi de faire des progrès significatifs », a déclaré Lei Chen, titulaire d’un doctorat. étudiant à Rice.
Un attribut clé des bandes plates est leur topologie, a déclaré Chen. « Les bandes plates reliées à l’énergie de Fermi permettent de réaliser de nouveaux états quantiques de la matière », a-t-il déclaré.
Les recherches de l’équipe révèlent que cela inclut les anyons et les fermions de Weyl, ou des quasiparticules sans masse et des fermions porteurs d’une charge électrique. Les chercheurs ont découvert que les anyons sont des agents prometteurs pour les qubits et que les matériaux qui hébergent des fermions de Weyl pourraient trouver des applications dans l’électronique basée sur le spin.
L’étude met également en évidence le potentiel de ces matériaux à être très sensibles aux signaux externes et capables d’un contrôle quantique avancé. Les résultats indiquent que les bandes plates pourraient conduire à des semi-métaux topologiques fortement corrélés à des températures relativement basses, fonctionnant potentiellement à des températures élevées ou même à température ambiante.
« Notre travail fournit la base théorique pour l’utilisation de bandes plates dans des contextes à forte interaction afin de concevoir et de contrôler de nouveaux matériaux quantiques fonctionnant au-delà du domaine des basses températures », a déclaré Si.
Les contributeurs à cette recherche comprennent Fang Xie et Shouvik Sur, associés postdoctoraux Rice en physique et en astronomie ; Haoyu Hu, ancien élève de Rice et chercheur postdoctoral au Centre international de physique de Donostia ; Silke Paschen, physicienne à l’Université technologique de Vienne ; et Jennifer Cano, physicienne théoricienne à l’Université Stony Brook et au Flatiron Institute.
Plus d’information:
Lei Chen et al, Bande plate émergente et semi-métal Kondo topologique pilotés par des corrélations orbitales-sélectives, Communications naturelles (2024). DOI : 10.1038/s41467-024-49306-w