Contrôle électronique des transitions quantiques dans un matériau candidat pour la future électronique basse énergie

La découverte brosse un tableau global de l’effet Hall anormal géant et révèle sa corrélation avec l’onde de densité de charge non conventionnelle dans le UNV₃qn₅ kagome famille de métaux, avec des applications potentielles dans la future électronique ultra-basse énergie.

Les supraconducteurs, qui peuvent transmettre de l’électricité sans dissipation d’énergie, sont très prometteurs pour le développement de futures technologies électroniques à faible consommation d’énergie et sont déjà appliqués dans divers domaines tels que les aérotrains et les aimants à haute résistance (tels que les IRM médicaux).

Cependant, la manière précise dont la supraconductivité se forme et fonctionne dans de nombreux matériaux reste un problème non résolu et limite ses applications.

Récemment, un nouveau kagome famille des supraconducteurs UNV₃qn₅ a suscité un vif intérêt pour leurs nouvelles propriétés. Les matériaux « Kagome » présentent un treillis inhabituel nommé d’après un motif de tissage de panier japonais avec des triangles partageant les coins.

Le UNV₃qn₅ matériaux (où UN fait référence au césium, au rubidium ou au potassium) fournissent des plates-formes idéales pour les études de physique telles que la topologie et les fortes corrélations, mais malgré de nombreuses enquêtes récentes, l’origine de l’effet Hall anormal géant du matériau et de la supraconductivité reste controversée.

La collaboration dirigée par FLEET entre des chercheurs de l’Université RMIT (Australie) et l’organisation partenaire High Magnetic Field Laboratory (Chine) confirme pour la première fois le contrôle électrique de la supraconductivité et de l’AHE dans un van der Waals kagome métal CsV₃qn₅.

Manipulation de l’effet Hall anormal géant par intercalation réversible de protons

Possédant des bandes d’électrons topologiques et une frustration géométrique des réseaux de vanadium, les couches kagome les métaux UNV₃qn₅ ont suscité un grand intérêt pour la physique de la matière condensée en raison des nombreux phénomènes quantiques qu’ils soutiennent, notamment :

• nouvel ordre nématique non conventionnel
• ordre de densité de charge chirale
• effet Hall anormal géant (AHE), et
• l’interaction entre la supraconductivité à deux lacunes et l’onde de densité de charge (CDW) dans UNV₃qn₅.

De plus, l’origine du géant AHE dans AV₃qn₅ et sa corrélation avec le CDW chiral restent insaisissables, malgré plusieurs mécanismes récemment proposés, notamment la diffusion asymétrique extrinsèque des quasiparticules de Dirac avec un sous-réseau magnétique frustré, les courants orbitaux d’un nouvel ordre de charge chiral et la phase de flux chiral dans la phase CDW.

“Jusqu’à présent, nous avions obtenu de nombreux résultats intrigants avec la technique de porte à protons dans les dispositifs spintroniques vdW. Étant donné que cette technique peut moduler efficacement la densité de porteurs jusqu’à 10²¹ cm^-3nous aimerions l’appliquer sur AV₃qn₅qui abrite un niveau de densité de porteurs similaire », déclare le premier auteur de la nouvelle étude, le Dr Guolin Zheng (RMIT), chercheur à FLEET.

“La capacité d’ajuster la densité de porteurs et les surfaces de Fermi correspondantes jouerait un rôle vital dans la compréhension et la manipulation de ces nouveaux états quantiques et pourrait potentiellement réaliser des transitions de phase quantiques exotiques.”

L’équipe a choisi de tester cette théorie sur CsV₃qn₅ qui a potentiellement le plus grand espace d’atomes de rechange pour l’intercalation de protons. Les appareils ont été facilement conçus et fabriqués sur la base de la riche expérience de l’équipe dans ce domaine.

Leurs résultats ultérieurs avec CsV₃qn₅ dépendait fortement de l’épaisseur du matériau.

“Il était très difficile de moduler efficacement les nanoflakes” plus épais “(plus de 100 nm)”, explique le co-premier auteur, le Dr Cheng Tan (RMIT), chercheur à FLEET.

“Mais lorsque l’épaisseur est descendue à environ 40 nm, l’injection du proton est devenue assez facile”, explique Cheng. “Nous avons même constaté que l’injection est hautement réversible. En effet, nous avons rarement rencontré un matériau aussi respectueux des protons !”

Fait intéressant, avec l’évolution de l’intercalation des protons, le type de porteur (ou le «signe» de l’effet Hall) pouvait être modulé en type trou ou électron et l’amplitude des AHE obtenus était également réglée efficacement.

D’autres investigations expérimentales et théoriques indiquent que cette modulation spectaculaire de l’AHE géant provient du changement de niveau de Fermi dans les structures de bande reconstruites.

“Les résultats de l’AHE contrôlé ont également révélé que l’origine la plus possible de l’AHE est la diffusion oblique, ce qui améliore encore notre compréhension de la kagome métal “, explique Guolin. “Mais nous n’avons pas encore observé de transition supraconducteur-isolant dans des nanoflakes de 40 nm.”

“Nous devons encore essayer des CsV plus fins₃qn₅ nanoflakes pour explorer cela.”

Transition induite par l’intercalation de protons entre supraconducteur et “isolant défaillant”

La coexistence unique des corrélations électroniques et de la topologie des bandes dans UNV₃qn₅ permet d’étudier des transitions intrigantes de ces états corrélés, telles que la transition supraconducteur-isolant, une transition de phase quantique généralement réglée par des désordres, des champs magnétiques et un déclenchement électrique.

En diminuant le nombre de couches atomiques, l’équipe a pris des mesures supplémentaires pour explorer les transitions de phase quantiques potentielles dans CsV₃qn₅.

“Au début, j’ai directement essayé des nanoflakes ultra-minces <10 nm", explique Cheng. "J'ai observé que les températures critiques de la phase de supraconductivité diminuaient avec l'augmentation de l'intercalation des protons, mais je ne pouvais pas confirmer définitivement que la supraconductivité avait disparu, car elle pourrait encore exister à des températures milliKelvin, que nous ne pouvons pas atteindre. De plus, les appareils étaient très fragile quand j'ai essayé d'augmenter encore l'intercalation des protons."

Cheng a donc changé de stratégie et s’est occupé des nanoflakes plus épais de 10 à 20 nm, tout en essayant différents matériaux d’électrode pour rechercher un meilleur contact électrique.

Cette stratégie a rencontré le succès. L’équipe, de manière surprenante, a observé que la température critique de la phase CDW diminuait et que les courbes de résistance dépendant de la température présentaient une transition claire supraconducteur-isolant sous l’augmentation de l’injection de protons.

“L’intercalation de protons a introduit le trouble et supprimé à la fois la CDW et la cohérence de phase supraconductrice”, explique l’auteur contributeur A / Prof Lan Wang (également au RMIT). “Et cela a donné lieu à une transition supraconducteur-isolant associée à des paires de Cooper localisées et présentant une résistance carrée saturée atteignant jusqu’à 10⁶ ? pour une température approchant zéro, surnommé un ‘isolant défaillant’.”

“Notre travail révèle une transition supraconducteur-isolant bosonique induite par des désordres distincts, trace une image globale du géant AHE et révèle sa corrélation avec le CDW non conventionnel dans le UNV₃qn₅ famille.”

“Cette transition supraconducteur-isolant importante et contrôlée électriquement et cet effet Hall anormal dans kagome les métaux devraient inspirer davantage de recherches sur la physique intrigante pertinente, avec la promesse de dispositifs nanoélectroniques économes en énergie.”