Pour la première fois, une équipe de recherche internationale a mesuré le spin des électrons dans une nouvelle classe de matériaux quantiques appelés « matériaux kagomé », ce qui pourrait transformer la façon dont les matériaux quantiques sont étudiés. Cette avancée pourrait ouvrir la voie à des développements dans des domaines tels que les énergies renouvelables, la biomédecine, l’électronique et l’informatique quantique.
Une équipe de recherche internationale a réussi pour la première fois à mesurer le spin des électrons dans la matière – c’est-à-dire la courbure de l’espace dans lequel les électrons vivent et se déplacent – au sein des « matériaux kagome », une nouvelle classe de matériaux quantiques.
Les résultats obtenus – publiés dans la revue Nature Physics – pourraient révolutionner la manière dont les matériaux quantiques sont étudiés à l’avenir, ouvrant la voie à de nouveaux développements dans les technologies quantiques, avec des applications possibles dans une variété de domaines technologiques, de l’énergie renouvelable à la biomédecine, de l’électronique aux ordinateurs quantiques.
Le succès a été obtenu grâce à une collaboration internationale de scientifiques, à laquelle Domenico Di Sante, professeur au département de physique et d’astronomie « Augusto Righi », a participé pour l’université de Bologne dans le cadre de son projet de recherche Marie Curie BITMAP. Il a été rejoint par des collègues du CNR-IOM de Trieste, de l’université Ca’ Foscari de Venise, de l’université de Milan, de l’université de Würzburg (Allemagne), de l’université de St. Andrews (Royaume-Uni), du Boston College et de l’université de Californie à Santa Barbara (États-Unis).
Grâce à des techniques expérimentales avancées, utilisant la lumière générée par un accélérateur de particules, le Synchrotron, et grâce à des techniques modernes de modélisation du comportement de la matière, les chercheurs ont pu mesurer pour la première fois le spin des électrons, lié au concept de topologie.
Trois perspectives de la surface sur laquelle se déplacent les électrons. À gauche, le résultat expérimental, au centre et à droite la modélisation théorique. Les couleurs rouge et bleue représentent une mesure de la vitesse des électrons. La théorie et l’expérience reflètent toutes deux la symétrie du cristal, très similaire à la texture des paniers japonais traditionnels « kagome ». Crédit : Université de Bologne
« Si nous prenons deux objets tels qu’un ballon de football et un beignet, nous remarquons que leurs formes spécifiques déterminent des propriétés topologiques différentes, par exemple parce que le beignet a un trou, alors que le ballon n’en a pas », explique Domenico Di Sante. « De même, le comportement des électrons dans les matériaux est influencé par certaines propriétés quantiques qui déterminent leur rotation dans la matière dans laquelle ils se trouvent, tout comme la trajectoire de la lumière dans l’univers est modifiée par la présence d’étoiles, de trous noirs, de matière noire et d’énergie noire, qui courbent le temps et l’espace. »
Bien que cette caractéristique des électrons soit connue depuis de nombreuses années, personne n’avait jusqu’à présent été en mesure de mesurer directement ce « spin topologique ». Pour y parvenir, les chercheurs ont exploité un effet particulier appelé « dichroïsme circulaire » : une technique expérimentale spéciale qui ne peut être utilisée qu’avec une source synchrotron et qui exploite la capacité des matériaux à absorber la lumière différemment en fonction de leur polarisation.
Les chercheurs se sont particulièrement intéressés aux « matériaux kagomé », une catégorie de matériaux quantiques qui doivent leur nom à leur ressemblance avec le tissage des fils de bambou entrelacés qui composent un panier japonais traditionnel (appelé, en effet, « kagomé »). Ces matériaux révolutionnent la physique quantique et les résultats obtenus pourraient nous aider à mieux comprendre leurs propriétés magnétiques, topologiques et supraconductrices particulières.
« Ces résultats importants ont été possibles grâce à une forte synergie entre la pratique expérimentale et l’analyse théorique », ajoute M. Di Sante. « Les chercheurs théoriciens de l’équipe ont utilisé des simulations quantiques sophistiquées, uniquement possibles grâce à l’utilisation de puissants superordinateurs, et ont ainsi guidé leurs collègues expérimentateurs vers la zone spécifique du matériau où l’effet de dichroïsme circulaire a pu être mesuré.
Référence : « Flat band separation and robust spin Berry curvature in bilayer kagome metals » par Domenico Di Sante, Chiara Bigi, Philipp Eck, Stefan Enzner, Armando Consiglio, Ganesh Pokharel, Pietro Carrara, Pasquale Orgiani, Vincent Polewczyk, Jun Fujii, Phil D. C. King, Ivana Vobornik, Giorgio Rossi, Ilija Zeljkovic, Stephen D. Wilson, Ronny Thomale, Giorgio Sangiovanni, Giancarlo Panaccione et Federico Mazzola, 18 mai 2023, Nature Physics.
DOI: 10.1038/s41567-023-02053-z
Le premier auteur de l’étude est Domenico Di Sante, chercheur au département de physique et d’astronomie « Augusto Righi » de l’université de Bologne. Il a travaillé avec des chercheurs du CNR-IOM de Trieste, de l’université Ca’ Foscari de Venise, de l’université de Milan, de l’université de Würzburg (Allemagne), de l’université de St. Andrews (Royaume-Uni), du Boston College et de l’université de Santa Barbara (États-Unis).