La découverte pourrait offrir une voie vers des appareils électroniques plus petits et plus rapides –


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  • Dans le monde des particules, parfois deux valent mieux qu’un. Prenons, par exemple, les paires d’électrons. Lorsque deux électrons sont liés ensemble, ils peuvent glisser à travers un matériau sans frottement, conférant au matériau des propriétés supraconductrices spéciales. De telles paires d’électrons, ou paires de Cooper, sont une sorte de particule hybride – un composite de deux particules qui se comportent comme une seule, avec des propriétés supérieures à la somme de ses parties.

    Aujourd’hui, les physiciens du MIT ont détecté un autre type de particule hybride dans un matériau magnétique bidimensionnel inhabituel. Ils ont déterminé que la particule hybride est un mashup d’un électron et d’un phonon (une quasiparticule qui est produite à partir des atomes vibrants d’un matériau). Lorsqu’ils ont mesuré la force entre l’électron et le phonon, ils ont découvert que la colle, ou liaison, était 10 fois plus forte que tout autre hybride électron-phonon connu à ce jour.

    La liaison exceptionnelle de la particule suggère que son électron et son phonon pourraient être accordés en tandem ; par exemple, toute modification de l’électron devrait affecter le phonon, et vice versa. En principe, une excitation électronique, telle qu’une tension ou une lumière, appliquée à la particule hybride pourrait stimuler l’électron comme elle le ferait normalement, et également affecter le phonon, qui influence les propriétés structurelles ou magnétiques d’un matériau. Un tel double contrôle pourrait permettre aux scientifiques d’appliquer une tension ou une lumière à un matériau pour régler non seulement ses propriétés électriques, mais également son magnétisme.

    Les résultats sont particulièrement pertinents, car l’équipe a identifié la particule hybride dans le trisulfure de phosphore de nickel (NiPS3), un matériau bidimensionnel qui a suscité un intérêt récent pour ses propriétés magnétiques. Si ces propriétés pouvaient être manipulées, par exemple à travers les particules hybrides nouvellement détectées, les scientifiques pensent que le matériau pourrait un jour être utile en tant que nouveau type de semi-conducteur magnétique, qui pourrait être transformé en une électronique plus petite, plus rapide et plus économe en énergie.

    “Imaginez si nous pouvions stimuler un électron et faire réagir le magnétisme”, explique Nuh Gedik, professeur de physique au MIT. « Ensuite, vous pourriez créer des appareils très différents de leur fonctionnement actuel. »

    Gedik et ses collègues ont publié aujourd’hui leurs résultats dans la revue Communication Nature. Ses co-auteurs incluent Emre Ergeçen, Batyr Ilyas, Dan Mao, Hoi Chun Po, Mehmet Burak Yilmaz et Senthil Todadri au MIT, ainsi que Junghyun Kim et Je-Geun Park de l’Université nationale de Séoul en Corée.

    Feuilles de particules

    Le domaine de la physique moderne de la matière condensée se concentre, en partie, sur la recherche d’interactions dans la matière à l’échelle nanométrique. De telles interactions, entre les atomes d’un matériau, les électrons et d’autres particules subatomiques, peuvent conduire à des résultats surprenants, tels que la supraconductivité et d’autres phénomènes exotiques. Les physiciens recherchent ces interactions en condensant des produits chimiques sur des surfaces pour synthétiser des feuilles de matériaux bidimensionnels, qui pourraient être aussi minces qu’une couche atomique.

    En 2018, un groupe de recherche en Corée a découvert des interactions inattendues dans des feuilles synthétisées de NiPS3, un matériau bidimensionnel qui devient un antiferromagnétique à des températures très basses de l’ordre de 150 kelvins, soit -123 degrés Celsius. La microstructure d’un antiferromagnétique ressemble à un réseau en nid d’abeilles d’atomes dont les spins sont opposés à celui de leur voisin. En revanche, un matériau ferromagnétique est constitué d’atomes dont les spins sont alignés dans la même direction.

    En sondant NiPS3, ce groupe a découvert qu’une excitation exotique devenait visible lorsque le matériau est refroidi en dessous de sa transition antiferromagnétique, bien que la nature exacte des interactions responsables de cela ne soit pas claire. Un autre groupe a trouvé des signes d’une particule hybride, mais ses constituants exacts et sa relation avec cette excitation exotique n’étaient pas clairs non plus.

    Gedik et ses collègues se sont demandé s’ils pourraient détecter la particule hybride et démêler les deux particules qui composent l’ensemble, en capturant leurs mouvements de signature avec un laser ultra-rapide.

    Magnétiquement visible

    Normalement, le mouvement des électrons et des autres particules subatomiques est trop rapide à imager, même avec la caméra la plus rapide du monde. Le défi, dit Gedik, est similaire à prendre une photo d’une personne qui court. L’image résultante est floue car l’obturateur de l’appareil photo, qui laisse entrer la lumière pour capturer l’image, n’est pas assez rapide et la personne court toujours dans le cadre avant que l’obturateur ne puisse prendre une photo nette.

    Pour contourner ce problème, l’équipe a utilisé un laser ultrarapide qui émet des impulsions lumineuses d’une durée de seulement 25 femtosecondes (une femtoseconde équivaut à 1 millionième de 1 milliardième de seconde). Ils ont divisé l’impulsion laser en deux impulsions distinctes et les ont dirigées vers un échantillon de NiPS3. Les deux impulsions ont été réglées avec un léger retard l’une par rapport à l’autre de sorte que la première stimulait ou « donne un coup de pied » à l’échantillon, tandis que la seconde captait la réponse de l’échantillon, avec une résolution temporelle de 25 femtosecondes. De cette façon, ils ont pu créer des “films” ultrarapides à partir desquels les interactions des différentes particules au sein du matériau ont pu être déduites.

    En particulier, ils ont mesuré la quantité précise de lumière réfléchie par l’échantillon en fonction du temps entre les deux impulsions. Cette réflexion devrait changer d’une certaine manière si des particules hybrides sont présentes. Cela s’est avéré être le cas lorsque l’échantillon a été refroidi en dessous de 150 kelvins, lorsque le matériau devient antiferromagnétique.

    “Nous avons découvert que cette particule hybride n’était visible qu’en dessous d’une certaine température, lorsque le magnétisme est activé”, explique Ergeçen.

    Pour identifier les constituants spécifiques de la particule, l’équipe a fait varier la couleur, ou la fréquence, du premier laser et a découvert que la particule hybride était visible lorsque la fréquence de la lumière réfléchie était autour d’un type particulier de transition connu pour se produire lorsqu’un électron se déplace entre deux orbitales d. Ils ont également examiné l’espacement du motif périodique visible dans le spectre de la lumière réfléchie et ont découvert qu’il correspondait à l’énergie d’un type spécifique de phonon. Cela a clarifié que la particule hybride est constituée d’excitations d’électrons orbitaux d et de ce phonon spécifique.

    Ils ont effectué une modélisation supplémentaire sur la base de leurs mesures et ont découvert que la force liant l’électron au phonon est environ 10 fois plus forte que ce qui a été estimé pour d’autres hybrides électron-phonon connus.

    “Un moyen potentiel d’exploiter cette particule hybride est qu’elle pourrait vous permettre de vous coupler à l’un des composants et de régler indirectement l’autre”, a déclaré Ilyas. “De cette façon, vous pourriez modifier les propriétés d’un matériau, comme l’état magnétique du système.”

    Cette recherche a été financée, en partie, par le département américain de l’Énergie et la Fondation Gordon et Betty Moore.

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