Comprendre la physique des nouveaux métaux

Des chercheurs de l’Institut Paul Scherrer PSI et du Brookhaven National Laboratory (BNL), travaillant au sein d’une équipe internationale, ont développé une nouvelle méthode d’études complexes aux rayons X qui contribuera à une meilleure compréhension des minéraux dits interconnectés. Ces matériaux pourraient être utiles pour des applications pratiques dans des domaines tels que la supraconductivité, le traitement des données et les ordinateurs quantiques. Aujourd’hui, des chercheurs présentent leurs travaux dans la revue X. examen physique.

Dans des matériaux tels que le silicium ou l’aluminium, la répulsion mutuelle des électrons n’affecte pas Propriétés matérielles. Ce n’est pas le cas avec les matériaux dits corrélés, où les électrons interagissent fortement les uns avec les autres. Le mouvement d’un électron dans un matériau lié provoque une interaction complexe et coordonnée des autres électrons. Ce sont précisément ces processus appariés qui rendent ces matériaux liés si prometteursة Applications pratiques, et en même temps très complexe à comprendre.

Les matériaux hautement liés sont des candidats pour de nouveaux supraconducteurs à haute température, qui peuvent conduire l’électricité sans perte et qui sont utilisés en médecine, par exemple, en imagerie par résonance magnétique. Ils peuvent également être utilisés pour construire des composants électroniques, voire des ordinateurs quantiques, avec lesquels les données peuvent être traitées et stockées plus efficacement.

« Les matériaux fortement corrélés présentent une multitude de phénomènes fascinants, cependant, comprendre et exploiter le comportement complexe qui sous-tend ces phénomènes reste un défi majeur », déclare Thorsten Schmitt, responsable de la spectroscopie pour le groupe Novel Materials au PSI. Schmidt et son équipe de recherche s’attaquent à cette tâche à l’aide d’une méthode dans laquelle ils utilisent des rayons X extrêmement intenses et précis de la source lumineuse suisse SLS du PSI. Cette nouvelle technique, qui a été développée au PSI ces dernières années, est appelée diffusion inélastique résonante des rayons X, ou RIXS en abrégé.

Les rayons X excitent les électrons

Avec RIXS, les rayons X mous sont dispersés sur un échantillon. Le faisceau de rayons X incident est réglé de manière à ce que les électrons soient levés d’une orbite d’électrons inférieure à une orbite supérieure, ce qui signifie une excitation de résonance spéciale. Cela conduit à un déséquilibre du système. Divers processus électrodynamiques le ramènent à l’état fondamental. Une partie de l’excès d’énergie est à nouveau émise sous forme de rayons X. Le spectre de ce rayonnement diffusé de manière inélastique fournit des informations sur les processus fondamentaux et donc sur la structure électronique du matériau.

« Ces dernières années, RIXS est devenu un outil expérimental puissant pour déchiffrer la complexité des matériaux interconnectés », explique Schmidt. Lorsqu’il est utilisé pour vérifier les isolateurs filetés en particulier, il fonctionne très bien. Jusqu’à présent, cependant, la méthode n’a pas réussi à cribler les métaux corrélés. Son échec était dû à la difficulté d’interpréter les spectres très complexes générés par les nombreux processus électrodynamiques différents au cours de la diffusion. « À cet égard, la collaboration avec des théoriciens est essentielle, car ils peuvent simuler les processus observés en expérimentation », explique Schmidt.

comptes de métaux corrélés

C’est la spécialité du physicien théoricien Keith Gilmore, qui travaillait auparavant au Brookhaven National Laboratory (BNL) aux États-Unis et maintenant à l’Université Humboldt de Berlin. « Calculer les résultats RIXS pour les métaux corrélés est difficile car vous devez gérer simultanément de nombreuses orbitales électroniques, une large bande passante et un grand nombre d’interactions électroniques », explique Gilmore. Il est plus facile de travailler avec des isolateurs interconnectés car il y a moins d’orbitales ; Cela permet des calculs typiques qui incluent explicitement tous les électrons. Pour être précis, Gilmore explique : « Dans notre nouvelle façon de décrire les processus RIXS, nous combinons maintenant les contributions qui proviennent de l’excitation d’un électron avec l’interaction coordonnée de tous les autres électrons.

Pour tester le calcul, les chercheurs du PSI ont mené des expériences sur un matériau que le scientifique du BNL Jonathan Bellisarii a étudié en détail dans le cadre de sa thèse de doctorat au PSI : le baryum-fer-arsenic. Si vous ajoutez une certaine quantité d’atomes de potassium à la substance, elle devient supraconductrice. Il appartient à une classe de supraconducteurs non conventionnels à base de fer à haute température qui devrait permettre de mieux comprendre le phénomène. « Jusqu’à présent, l’interprétation des mesures RIXS sur des matériaux aussi complexes était principalement guidée par l’intuition. Désormais, ces calculs RIXS nous donnent aux expérimentateurs un cadre qui permet une interprétation plus pratique des résultats. Nos mesures RIXS en PSI sur l’arséniure de baryum et de fer sont en excellent accord avec les profils calculés », déclare As Pelliciari.

Un mélange d’expérimentation et de théorie

Dans leurs expériences, les chercheurs ont étudié la physique autour de l’atome de fer. « L’un des avantages de RIXS est que vous pouvez vous concentrer sur un ingrédient spécifique et l’examiner en détail pour les substances qui sont plusieurs composants », explique Schmidt. Un faisceau de rayons X bien réglé fait passer un électron interne dans un atome de fer de l’état fondamental au niveau de base à la bande de valence d’énergie plus élevée, qui n’est que partiellement occupée. Cette excitation primaire de l’électron primaire peut provoquer une excitation secondaire supplémentaire et conduire à de nombreux processus de désintégration complexes qui finissent par apparaître dans les structures spectrales des satellites. (voir graphique).

Étant donné que les contributions de nombreuses interactions sont parfois faibles et proches les unes des autres, il est difficile de savoir quels processus se sont réellement produits dans une expérience. Ici, la combinaison de l’expérience et de la théorie aide. « Si vous n’avez pas de support théorique pour des expériences difficiles, vous ne pouvez pas comprendre les processus, c’est-à-dire la physique, en détail », explique Schmidt. La même chose s’applique également à la théorie : « Souvent, vous ne savez pas quelles théories sont réalistes jusqu’à ce que vous puissiez les comparer à une expérience. Les progrès de la compréhension surviennent lorsque l’expérience et la théorie sont combinées. Ainsi, cette méthode descriptive a le potentiel de devenir une référence pour l’interprétation d’expériences spectroscopiques sur des minéraux corrélés ».

L’équipe internationale a publié ses travaux dans la revue X. examen physique.