La physique quantique à travers les dimensions

Image: Défaut 2D à l’échelle atomique dans un dichalcogénure de métal de transition. La formation de la configuration distincte en étoile dans le plan entraîne le développement d’un réseau 2D de moments magnétiques (en rouge). Ces aimants locaux interagissent fortement avec les spins des électrons de conduction dans le matériau via l’effet Kondo. L’interaction quantique-mécanique entre les électrons perturbe sensiblement le flux de courant à travers les plans atomiques du matériau, tandis qu’elle n’a aucun effet pour le courant circulant dans les plans. Crédit: Edoardo Martino. Modèle de structure atomique rendu à l’aide de VESTA (https://jp-minerals.org/vesta/en/)

Les propriétés des matériaux qui sont intéressantes d’un point de vue technologique proviennent souvent de défauts liés à leur structure atomique. Par exemple, la modification des propriétés optiques des rubis par des inclusions de chrome a permis de mettre au point des lasers, tandis que la présence de lacunes d’azote dans les diamants ouvre la voie à des applications telles que les magnétomètres quantiques. Dans l’industrie métallurgique également, les défauts à l’échelle atomique comme la dislocation améliorent la résistance de l’acier forgé.

Une autre manifestation des défauts à l’échelle atomique est l’effet Kondo. Ce dernier agit sur les propriétés de conduction d’un métal en dispersant et en ralentissant les électrons et en modifiant le flux du courant électrique qui le traverse. Cet effet Kondo a été observé pour la première fois dans des métaux présentant très peu de défauts magnétiques, par exemple l’or avec quelques parties par million d’inclusions de fer. Lorsque les atomes magnétiques dilués alignent tous les électrons qui gravitent autour d’eux, cela ralentit le mouvement du courant électrique à l’intérieur du matériau, de manière égale dans toutes les directions.

Depuis sa description par le physicien théoricien Jun Kondo en 1964, le sujet a connu plusieurs résurgences. Aujourd’hui, l’effet est observé dans de nombreux systèmes, des nanotubes de carbone aux supraconducteurs.

Une nouvelle perspective

Aujourd’hui, une équipe dirigée par le professeur Laszlo Forró de l’EPFL a publié un article présentant une nouvelle perspective sur l’effet Kondo, qui est rendue possible grâce aux outils de caractérisation des matériaux et aux technologies de microfabrication les plus avancés.

Les scientifiques ont étudié les répercussions des défauts magnétiques, responsables de la diffusion Kondo, qui sont produits par des plans atomiques minces dans un matériau stratifié. En raison de la thermodynamique, les plans minces prennent une configuration atomique anormale.

Ces défauts sont intrinsèquement non magnétiques, mais à basse température, les électrons organisent eux-mêmes leur spin dans les couches défectueuses, ce qui produit un défaut planaire magnétique local dans le matériau.

Jusqu’à présent, cette configuration n’a été créée et étudiée que dans des échantillons uniques et personnalisés, soit par l’empilement manuel de couches atomiquement minces de différents matériaux, soit par la coûteuse technologie de l’épitaxie par faisceau moléculaire, où les matériaux sont créés atome par atome dans un vide très poussé.

L’étude a utilisé la méthode innovante de microfabrication par faisceau d’ions focalisé développée par le professeur Philip Moll et son équipe à l’EPFL. Cette méthode permet la première mise en évidence expérimentale de l’anomalie des propriétés de transport électronique.

La découverte que de tels phénomènes peuvent être produits par des défauts natifs ouvre une nouvelle voie plus accessible pour explorer les interactions quantiques uniques dans les matériaux, ce qui pourrait stimuler la découverte et le transfert vers des solutions technologiques.

«Appliquer un champ magnétique et regarder ce qui se passe»

«Après avoir identifié l’anomalie de la conductivité électronique, nous sommes restés très perplexes», explique Edoardo Martino, principal auteur de l’étude. «Le matériau se comportait comme un métal assez standard dont les électrons se déplacent le long du plan. Mais lorsque les électrons étaient forcés de se déplacer entre les plans, son comportement n’était pas celui d’un métal ni d’un isolant, et on ne savait pas à quoi s’attendre. C’est grâce à une discussion avec nos collègues et des spécialistes de la physique théorique que nous avons été orientés dans la bonne direction: il suffit d’appliquer un champ magnétique et de regarder ce qui se passe.»

Après avoir appliqué le champ magnétique, les scientifiques de l’EPFL ont constaté que plus l’aimant est puissant, plus le comportement du matériau devient inhabituel. Ils ont commencé à expérimenter avec des aimants supraconducteurs de 14 Tesla (460 000 fois le champ magnétique terrestre) disponibles à l’EPFL, mais ils ont vite compris que ce n’était pas suffisant.

En collaboration avec le Laboratoire National des Champs Magnétiques Intenses de Grenoble et de Toulouse, ils ont eu accès à des aimants parmi les plus puissants du monde. Ils ont pu réaliser des expériences jusqu’à 34 Tesla dans des conditions statiques et avec des impulsions jusqu’à 70 Tesla pendant quelques millisecondes.

«J’ai d’abord pensé qu’il s’agissait d’une nouvelle forme d’effet Kondo, malgré le fait que nous n’ayons pas introduit d’espèces magnétiques dans le cristal», confie Konstantin Semeniuk, scientifique qui a participé à l’étude.

«Une fois notre étude terminée, le résultat était clair», déclare Edoardo Martino. «Les défauts atomiquement minces créent une sorte de mur magnétique dans le matériau qui fait rebondir certains des électrons qui tentent de le traverser. L’élucidation de l’origine de l’effet Kondo a montré que la thermodynamique peut réserver de grandes surprises. Nous pensons qu’il reste encore beaucoup à découvrir dans ce domaine. Il nous faut mieux comprendre les défauts à l’échelle atomique par microscopie électronique, par des mesures magnétiques locales et par de nouvelles simulations quantiques pour comprendre la formation et l’effet de ces défauts dans les matériaux stratifiés.»

Contributeurs

• Institut de physique de l’EPFL
• Institut de science et génie des matériaux de l’EPFL
• Institut Max Planck pour la physique chimique des solides, 01187 Dresde, Allemagne
• Laboratoire National des Champs Magnétiques Intenses CNRS
• Université de Fribourg
• Université Humboldt de Berlin
• NCCR-MARVEL
• Centre Stavropoulos pour la matière quantique complexe (Université Notre Dame)