Grâce aux électrons piégés, un matériau censé être un métal conducteur reste un isolant

14 juillet 2023

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par le Département américain de l'énergie

De nouvelles recherches mettent en lumière le mécanisme derrière la façon dont un matériau spécial passe d’un métal électriquement conducteur à un isolant électrique. Les chercheurs ont étudié l’oxyde de lanthane, strontium et nickel (La1.67Sr0.33NiO4) dérivé d’un matériau quantique La2NiO4. Les matériaux quantiques ont des propriétés inhabituelles qui résultent de la façon dont leurs électrons interagissent. En dessous d'une température critique, le matériau dopé au strontium est un isolant. Cela est dû à la séparation des trous introduits des régions magnétiques, formant ainsi des « bandes ». À mesure que la température augmente, ces rayures fluctuent et fondent à 240K. À cette température, les chercheurs s’attendaient à ce que le matériau devienne un métal conducteur. Au contraire, il reste un matériau isolant. La diffusion des neutrons met en lumière ce phénomène intrigant. Les résultats indiquent que le matériau reste isolant en raison de certaines vibrations atomiques qui piègent les électrons et entravent ainsi la conduction électrique.

Les matériaux quantiques ont des propriétés qui ne sont pas prédites par les éléments qui les composent. Par exemple, ils peuvent passer du statut de métal à celui d’isolant ou agir comme supraconducteurs. Ils sont extrêmement prometteurs pour les applications scientifiques et technologiques. Cette recherche décrit l'accordabilité de l'interaction électron-phonon sur la transition métal-isolant dans un matériau quantique. Les résultats aideront à valider les modèles théoriques de matériaux comportant des électrons en forte interaction. Ces théories aideront les scientifiques à concevoir de nouveaux matériaux quantiques pour les technologies futures.

Dans les métaux, les électrons peuvent être considérés comme des particules libres volant selon des trajectoires imposées par la structure cristalline. Au cours des dernières décennies, les scientifiques ont découvert de nouveaux matériaux dans lesquels les électrons se repoussent fortement et rebondissent sur les vibrations atomiques du cristal hôte. Ces matériaux présentent des propriétés inhabituelles et technologiquement utiles. Ces propriétés peuvent inclure une chute spectaculaire de la résistance électrique dans les champs magnétiques, une conduction électronique uniquement en surface et une supraconductivité à haute température. Comprendre ces propriétés dans différents matériaux reste un défi de taille pour la communauté scientifique.

Ce travail a utilisé des faisceaux de neutrons de haute intensité à la source de neutrons de spallation, une installation utilisateur du ministère de l'Énergie du laboratoire national d'Oak Ridge (ORNL), pour examiner en profondeur un matériau quantique archétype La2NiO4 dans lequel un sixième des atomes de lanthane (La) sont remplacés. avec des atomes de strontium (Sr) (La1.67Sr0.33NiO4). L'équipe comprenait des chercheurs de l'Université du Colorado à Boulder, de l'ORNL, du Brookhaven National Laboratory et du RIKEN Center for Emergent Matter Science au Japon. Ces matériaux sont isolants à basse température grâce à l'ordre dit des « rayures » qui résulte de l'interaction complexe entre les spins électroniques et les trous introduits en raison du dopage au strontium. Le matériau dopé devrait devenir métallique au-dessus de 240K lorsque les bandes fondront. Le matériau reste néanmoins isolant. La collaboration a découvert une forte friction entre les trous et certaines vibrations des ions oxygène et a trouvé des preuves de cette interaction dans d'autres matériaux de structure similaire. Le mécanisme microscopique pourrait ouvrir la voie à la conception de nouveaux matériaux dotés de propriétés inhabituelles, utiles pour diverses technologies quantiques.

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