Le cristal métallique ‘Kagome’ ajoute une nouvelle tournure à l’électronique

Une équipe multinationale de chercheurs, co-dirigée par un physicien de la Metropolis College of Hong Kong (CityU), a découvert qu’un nouveau cristal métallique présente un comportement électronique inhabituel à sa surface, grâce à la construction atomique special du cristal. Leurs découvertes ouvrent la possibilité d’utiliser ce matériau pour développer des dispositifs microélectroniques plus rapides et moreover petits.

Le matériau qui a été étudié est un composé métallique « kagome » récemment découvert qui se compose de trois éléments : le gadolinium (Gd), le vanadium (V) et l’étain (Sn). Il est classé comme un matériau « 1-6-6 » pour indiquer le rapport des trois éléments métalliques présents dans le cristal GdV6Sn6. Les atomes sont disposés selon un motif géométrique complexe mais régulier, ce qui donne des caractéristiques de area extraordinaires.

Normalement, les électrons chargés négativement dans les atomes se déplacent dans des bandes d’énergie discrètes à différentes distances des noyaux chargés positivement. Cependant, à la surface area de GdV6Sn6, les couches supérieures d’atomes exposés devraient interagir les unes avec les autres et déformer la topologie, c’est-à-dire la forme et le positionnement, des bandes d’énergie. En théorie, cette déformation pourrait introduire une nouvelle propriété électronique stable qui, jusqu’à présent, n’a pas été définitivement détectée dans GdV6Sn6 ou tout autre métal kagome.

Première observation d’un comportement électronique de area inhabituel dans un métal kagome

« Notre équipe a observé sans ambiguïté pour la première fois qu’un métal kagome peut présenter des structures de bande d’énergie électroniques altérées du type connu sous le nom d' »états de surface de Dirac topologiquement non triviaux » », déclare le Dr Ma Junzhang, professeur adjoint au département de physique de VilleU. « En raison de leur spin et de leur demand intrinsèques, les électrons créent leur propre champ magnétique et se comportent comme de minuscules gyroscopes qui ont à la fois une rotation et une inclinaison angulaire qui pointe dans une certaine direction. Nous avons démontré que dans GdV6Sn6, les électrons de surface area deviennent réordonnés ou « spin- polarisés’, et leurs inclinaisons se réorientent autour d’un axe commun perpendiculaire à la floor. »

L’orientation ordonnée des électrons autour d’un axe partagé est leur « chiralité de spin », qui peut être dans le sens des aiguilles d’une montre ou dans le sens inverse des aiguilles d’une montre. Moreover critical encore, l’équipe de recherche a réussi à inverser la chiralité de spin en effectuant une straightforward modification physique de la surface area du cristal. « Parce que nous avons découvert que la chiralité de spin des électrons polarisés en spin est facilement réversible, notre matériau a un grand potentiel d’application dans les transistors de nouvelle génération dans le domaine de la spintronique », ajoute le Dr Ma.

L’étude, publiée dans Science Developments le 21 septembre 2022, a été motivée par des prédictions théoriques de nouvelles structures de bandes électroniques de area après avoir pris en compte les caractéristiques particulières des cristaux de kagome GdV6Sn6. Par exemple, des couches de sous-unités V3Sn répétitives sont empilées entre des couches alternées de Sn et GdSn2. De moreover, plusieurs sous-unités V3Sn sont disposées géométriquement dans une «couche de kagome», dont le motif répétitif de six triangles équilatéraux entourant un hexagone ressemble au treillis de kagome vu dans le tissage de paniers en bambou japonais. Enfin, la couche kagome V3Sn est non magnétique, alors que la couche GdSn2 est magnétique.

Tout d’abord, les chercheurs ont fabriqué des cristaux de GdV6Sn6 en chauffant les métaux Gd, V et Sn et en refroidissant lentement le produit. Ensuite, après avoir confirmé la composition chimique et la framework par diffraction des rayons X sur monocristal, ils ont clivé un cristal à travers les couches empilées et analysé la floor exposée par spectroscopie de photoémission à résolution angulaire, ou ARPES. Les résultats ont révélé que la area clivée possédait en effet des structures de bandes d’énergie remodelées, et une analyse as well as approfondie a démontré un caractère de spin dans le sens des aiguilles d’une montre. Enfin, l’équipe a montré que les bandes d’énergie de floor pouvaient être considérablement déformées en recouvrant la surface d’atomes de potassium, dans un processus connu sous le nom de dopage électronique. En conséquence, la chiralité de spin électronique est passée du sens horaire au sens antihoraire avec l’augmentation du niveau de dopage.

Programs potentielles pour améliorer le transfert d’informations et au-delà

La capacité des chercheurs à inverser délibérément la chiralité de spin des électrons de surface area sur le cristal GdV6Sn6 en fait un matériau candidat prometteur pour de nombreuses apps électroniques pratiques.

« À l’avenir, nous pourrions être en mesure d’appliquer une stress locale, ou une » porte « électrostatique, pour manipuler ou régler directement la composition de la bande électronique et ainsi alterner la chiralité de spin électronique à la surface area des métaux 1-6-6 kagome », dit le Dr Ma. « Le contrôle de la way de la polarisation de spin des électrons est une alternative intéressante au codage numérique binaire traditionnel basé sur la présence ou l’absence de charge électrique, qui est relativement lent et peut entraîner des problèmes tels que l’échauffement de l’appareil. Notre technologie pourrait augmenter considérablement l’efficacité dans transfert d’informations numériques, avec moins de génération de chaleur, et pourrait finalement être exploité en informatique quantique lorsqu’il est couplé à des supraconducteurs. »

Les premiers auteurs de l’étude sont le Dr Hu Yong de l’Institut Paul Scherrer (PSI), en Suisse, et le Dr Wu Xianxin de l’Académie chinoise des sciences de Pékin. Les auteurs correspondants sont le Dr Hu, le Dr Ma de CityU et le professeur Shi Ming du PSI. Les collaborateurs comprenaient le professeur Xie Weiwei de l’Université Rutgers, aux États-Unis, qui a fourni les échantillons et le professeur Andreas Schnyder de l’Institut Max Planck, en Allemagne.

Dans ce travail, le Dr Ma a été financé par CityU, la Fondation nationale des sciences naturelles de Chine et la Fondation de recherche fondamentale et appliquée du Guangdong. Les autres collaborateurs ont été soutenus par le Fonds national suisse de la recherche scientifique, la Coopération scientifique et technologique sino-suisse, la Fondation nationale des sciences naturelles de Chine et le programme des sciences énergétiques de base du Département américain de l’énergie.