Les physiciens prédisent de nouveaux phénomènes étranges et fournissent une « recette » pour leur réalisation

Dans des travaux qui pourraient conduire à une nouvelle physique importante avec des applications potentiellement puissantes en informatique et plus encore, les scientifiques du MIT ont montré que deux domaines auparavant séparés de la physique de la matière condensée peuvent être combinés pour produire de nouveaux phénomènes étranges.

Le travail est théorique, mais les chercheurs sont ravis de collaborer avec des expérimentateurs pour donner un sens aux phénomènes attendus. L’équipe a inclus les conditions nécessaires pour atteindre cet objectif ultime dans un article publié dans le numéro du 24 février de Mental Health La science avance.

« Ce travail a commencé comme une spéculation théorique et s’est terminé mieux que ce que nous aurions pu espérer », explique Liang Fu, professeur au département de physique du MIT et responsable des travaux. Fu est également affilié au Laboratoire de recherche sur les matériaux. Ses collègues sont Nisarga Paul, un étudiant diplômé en physique, et Yang Zhang, un boursier postdoctoral qui est maintenant professeur à l’Université du Tennessee.

matériaux bidimensionnels

Le présent travail a été guidé par les progrès récents des matériaux bidimensionnels, ou ceux constitués d’une ou de quelques couches d’atomes. « Le monde entier des matériaux 2D est très intéressant car vous pouvez les empiler et les tordre, et jouer au Lego avec eux pour obtenir toutes sortes de structures sympas avec des propriétés inhabituelles », explique Paul, premier auteur de l’article.

Ces structures sandwich, à leur tour, sont appelées matériaux moirés. Le professeur du MIT Pablo Jarillo-Herrero a été le pionnier du domaine avec le graphène ondulé, qui se compose de deux feuilles de couches de graphène atomiquement minces superposées et tournées à un léger angle.

Par ailleurs, d’autres scientifiques ont développé un champ magnétique bidimensionnel.

Que se passerait-il si deux sphères – des aimants bidimensionnels et des matériaux moirés – étaient combinées ? C’est l’objet du travail actuel.

Plus précisément, l’équipe prédit qu’une structure composée de deux couches d’aimants bidimensionnels surmontés d’une couche de matériau semi-conducteur bidimensionnel générera un phénomène appelé flat banding, dans lequel les électrons d’un semi-conducteur restent stationnaires. « Cette partie était théoriquement difficile car il n’est pas très facile de commander l’électron. Ils veulent bouger. Et il faut beaucoup de réglages fins pour les faire rester immobiles », explique Paul.

Cependant, obtenir des électrons leur permet toujours de « vraiment se parler ». Et c’est là que se trouvent toutes les choses vraiment intéressantes dans notre domaine. [condensed matter physics] arriver », poursuit Paul.

Comment ça marche?

La clé de la recherche est une particule étrange appelée Skyrmion qui possède une propriété des électrons appelée spin (une autre propriété plus courante des électrons est leur charge). Le spin peut être considéré comme un aimant élémentaire, où les électrons d’un atome sont comme de minuscules aiguilles orientées d’une certaine manière. Dans un aimant de réfrigérateur, toutes les rotations pointent dans la même direction.

Dans le ciel, les rebondissements forment des tourbillons en forme de nœuds répartis sur la surface du matériau. Plus important encore, les planètes sont des objets topologiques, ou ceux dont les propriétés ne changent pas même lorsqu’elles sont soumises à de grandes déformations. (En 2016, le prix Nobel a été décerné aux trois scientifiques qui ont découvert les phases topologiques de la matière.) Cela signifie que les futures implémentations des montées célestes seront très puissantes, ou difficiles à désactiver, et conduiront peut-être à une meilleure forme de stockage de la mémoire informatique.

L’équipe du MIT prédit que le ciel dans la couche magnétique bidimensionnelle « s’imprimera » sur les électrons de la couche semi-conductrice, lui donnant des propriétés semblables à celles du ciel. Ces propriétés arrêtent également le mouvement des électrons du semi-conducteur, ce qui donne l’apparence d’une bande plate.

vers une recette

dans le La science avance Sur le papier, les physiciens décrivent également les meilleures conditions pour créer une structure magnétique ruban-semi-conducteur plat.

Yang Zhang a utilisé une méthode appelée théorie fonctionnelle de la densité pour prédire quels matériaux permettent les interactions les plus fortes entre les électrons dans les semi-conducteurs et le ciel dans les aimants. « Pour que quelque chose d’intéressant se produise, vous avez besoin que les électrons d’une couche sentent vraiment le ciel s’accumuler dans l’autre couche », explique Paul. « Il est mesuré par un paramètre appelé échange approximatif, ou J. So Yang recherchait un mélange de matériaux avec J. »

La meilleure composition s’est avérée inclure une couche de disulfure de molybdène (le semi-conducteur) sur des couches de tribromure de chrome (l’aimant). Paul dit: « Les combinaisons typiques de ces deux familles de matériaux auront un J d’environ un ou deux meV. Yang a découvert que cette combinaison particulière avait un J d’environ sept meV. C’est énorme. »

L’équipe a également identifié un certain niveau « magique » de magnétisation qui est également essentiel pour obtenir une barre plate solide.

Deux experts non impliqués dans les travaux ont commenté son importance.

Xiaodong Xu de l’Université de Washington a déclaré : « L’ingénierie de bandes électroniques plates à travers des réseaux de moiré à super-réseaux est apparue comme une technique puissante d’exploration ». [a variety of unusual] effets. [This team] Cadeau[s] Une méthode innovante pour créer des bandes topologiquement plates en combinant des semi-conducteurs 2D avec un moiré magnétique 2D. L’intérêt de cette approche réside dans le fait que [the team’s predictions] Rendre possible la mise en œuvre expérimentale. Cela inspirera sans aucun doute de nombreuses équipes expérimentales.

Inte Suedmann de l’Institut Max Planck déclare : « Les auteurs montrent la possibilité d’ingénierie dans ces [structures] Les bandes de chirn topologiques sont très plates. Ces domaines plats ont un grand potentiel pour atteindre des états exotiques qui pourraient être des plates-formes potentielles pour la construction d’ordinateurs quantiques topologiques. »