Des physiciens sondent les propriétés de morphing “étonnantes” d’un matériau en forme de nid d’abeille

Le matériau quantique en question est connu sous la formule chimique Mn₃Si₂Te₆. Mais on pourrait aussi l’appeler “nid d’abeille” car ses atomes de manganèse et de tellure forment un réseau d’octaèdres imbriqués qui ressemblent aux cellules d’une ruche.

Le physicien Gang Cao et ses collègues de CU Boulder ont synthétisé cette ruche moléculaire dans leur laboratoire en 2020, et ils ont été surpris : dans la plupart des cas, le matériau se comportait un peu comme un isolant. En d’autres termes, il ne permettait pas aux courants électriques de le traverser facilement. Cependant, lorsqu’ils ont exposé le nid d’abeilles à des champs magnétiques d’une certaine manière, il est soudainement devenu des millions de fois moins résistant aux courants. C’était presque comme si le matériau était passé du caoutchouc au métal.

“C’était à la fois étonnant et déroutant”, a déclaré Cao, professeur au Département de physique et auteur correspondant de la nouvelle étude. “Notre effort de suivi dans la poursuite d’une meilleure compréhension des phénomènes nous a conduit à des découvertes encore plus surprenantes.”

Maintenant, lui et ses collègues pensent qu’ils peuvent expliquer ce comportement étonnant. Le groupe, comprenant plusieurs étudiants diplômés de CU Boulder, a publié ses résultats les plus récents le 17 novembre dans la revue La nature.

S’appuyant sur des expériences dans le laboratoire de Cao, le groupe rapporte que, dans certaines conditions, le nid d’abeilles est en effervescence avec de minuscules courants internes appelés courants orbitaux chiraux ou courants de boucle. Les électrons se déplacent en boucles dans chacun des octaèdres de ce matériau quantique. Depuis les années 1990, les physiciens ont émis l’hypothèse que des courants de boucle pourraient exister dans une poignée de matériaux connus, tels que les supraconducteurs à haute température, mais ils ne les ont pas encore observés directement.

Cao a déclaré qu’ils pourraient être capables de provoquer des transformations surprenantes dans des matériaux quantiques comme celui sur lequel lui et son équipe sont tombés.

“Nous avons découvert un nouvel état quantique de la matière”, a déclaré Cao. “Sa transition quantique est presque comme de la glace fondant dans l’eau.”

Des changements colossaux

L’étude porte sur une étrange propriété en physique appelée magnétorésistance colossale (CMR).

Dans les années 1950, les physiciens ont réalisé que s’ils exposaient certains types de matériaux à des aimants générant une polarisation magnétique, ils pourraient faire subir à ces matériaux un changement, les faisant passer d’isolants à des conducteurs plus filaires. Aujourd’hui, cette technologie apparaît dans les lecteurs de disque d’ordinateur et de nombreux autres appareils électroniques où elle aide à contrôler et à faire circuler les courants électriques le long de chemins distincts.

Le nid d’abeilles en question, cependant, est très différent de ces matériaux – le CMR ne se produit que lorsque les conditions évitent ce même type de polarisation magnétique. Le changement des propriétés électriques est également beaucoup plus extrême que ce que vous pouvez voir dans tout autre matériau CMR connu, a ajouté Cao.

“Vous devez violer toutes les conditions conventionnelles pour réaliser ce changement”, a déclaré Cao.

La glace fondante

Lui et ses collègues, y compris les étudiants diplômés de CU Boulder Yu Zhang, Yifei Ni et Hengdi Zhao, ont voulu savoir pourquoi.

Avec le co-auteur Itamar Kimchi du Georgia Institute of Technology, ils ont eu l’idée des courants de boucle. Selon la théorie de l’équipe, d’innombrables électrons circulent à l’intérieur de leurs nids d’abeilles à tout moment, traçant les bords de chaque octaèdre. En l’absence de champ magnétique, ces courants de boucle ont tendance à rester désordonnés ou à circuler dans le sens des aiguilles d’une montre et dans le sens inverse des aiguilles d’une montre. C’est un peu comme des voitures traversant un rond-point dans les deux sens à la fois.

Ce désordre peut provoquer des “embouteillages” pour les électrons voyageant dans le matériau, a déclaré Cao, augmentant la résistance et faisant du nid d’abeille un isolant.

Comme l’a dit Cao : “Les électrons aiment l’ordre.”

Le physicien a ajouté, cependant, que si vous faites passer un courant électrique dans le matériau quantique en présence d’un type spécifique de champ magnétique, les courants de boucle commenceront à circuler dans une seule direction. Autrement dit, les embouteillages disparaissent. Une fois que cela se produit, les électrons peuvent accélérer à travers le matériau quantique, presque comme s’il s’agissait d’un fil métallique.

“Les courants de boucle internes circulant le long des bords des octaèdres sont extrêmement sensibles aux courants externes”, a déclaré Cao. “Lorsqu’un courant électrique externe dépasse un seuil critique, il perturbe et finalement” fait fondre “les courants de boucle, conduisant à un état électronique différent.”

Il a noté que dans la plupart des matériaux, le passage d’un état électronique à un autre se produit presque instantanément, ou en l’espace de billionièmes de seconde. Mais dans son nid d’abeilles, cette transformation peut prendre quelques secondes, voire plus, pour se produire.

Cao soupçonne que toute la structure du nid d’abeilles commence à se transformer, les liaisons entre les atomes se brisant et se reformant selon de nouveaux modèles. Ce type de réorganisation prend un temps inhabituellement long, a-t-il noté – un peu comme ce qui se passe lorsque la glace fond dans l’eau.

Cao a déclaré que le travail fournit un nouveau paradigme pour les technologies quantiques. Pour l’instant, vous ne verrez probablement pas ce nid d’abeilles dans les nouveaux appareils électroniques. En effet, le comportement de commutation n’a lieu qu’à des températures froides. Lui et ses collègues, cependant, recherchent des matériaux similaires qui feront la même chose dans des conditions beaucoup plus hospitalières.

“Si nous voulons l’utiliser dans de futurs appareils, nous devons disposer de matériaux qui présentent le même type de comportement à température ambiante”, a déclaré Cao.

Maintenant, ce genre d’invention pourrait être digne de buzz.