Des physiciens du MIT et leurs collaborateurs ont fait des avancées significatives dans la compréhension des particules exotiques qui jouent un rôle crucial dans une forme de magnétisme émergente. Ce magnétisme, observé dans des matériaux ultrafins constitués de seulement quelques couches atomiques, pourrait révolutionner l’électronique et d’autres domaines. Leur recherche, qui utilise un instrument puissant à la National Synchrotron Light Source II du Brookhaven National Laboratory, propose également une nouvelle méthode pour étudier ces particules.
Parmi leurs découvertes, l’équipe a identifié l’origine microscopique des excitons, des particules exotiques. Ils ont démontré comment ces excitons peuvent être contrôlés en modifiant chimiquement le matériau, principalement composé de nickel. De plus, ils ont découvert que les excitons se propagent à travers le matériau plutôt que de rester localisés sur les atomes de nickel.
Ils ont également prouvé que le mécanisme découvert est omniprésent dans les matériaux similaires à base de nickel, ouvrant ainsi la voie à l’identification et au contrôle de nouveaux matériaux aux propriétés électroniques et magnétiques uniques.
Les résultats de cette recherche sont disponibles en libre accès dans le numéro du 12 juillet de Physical Review X.
« Nous avons essentiellement développé une nouvelle direction de recherche dans l’étude de ces matériaux magnétiques bidimensionnels, en grande partie grâce à une méthode spectroscopique avancée appelée diffusion inélastique résonante des rayons X (RIXS), disponible au Brookhaven National Lab », explique Riccardo Comin, professeur agrégé de physique au MIT et responsable des travaux. Comin est également affilié au Laboratoire de Recherche sur les Matériaux et au Laboratoire de Recherche en Electronique.
Les collègues de Comin incluent Connor A. Occhialini, étudiant diplômé en physique du MIT, et Yi Tseng, ancien postdoctorant du MIT actuellement au Deutsches Elektronen-Synchrotron (DESY). Ils sont les co-premiers auteurs de l’article publié dans Physical Review X.
Les autres auteurs sont Hebatalla Elnaggar de la Sorbonne ; Qian Song, étudiant diplômé du Département de physique du MIT ; Mark Blei et Seth Ariel Tongay de l’Université d’État de l’Arizona ; Frank MF de Groot de l’Université d’Utrecht ; et Valentina Bisogni et Jonathan Pelliciari du Brookhaven National Laboratory.
Matériaux ultrafins
Les matériaux magnétiques étudiés sont appelés dihalogénures de nickel. Ils sont constitués de couches d’atomes de nickel prises en sandwich entre des couches d’atomes d’halogène, qui peuvent être isolées en couches atomiquement minces. Les physiciens ont étudié les propriétés électroniques de trois matériaux différents composés de nickel et d’halogènes tels que le chlore, le brome et l’iode. Malgré leur structure simple, ces matériaux présentent une variété de phénomènes magnétiques.
L’équipe s’est intéressée à la réaction des propriétés magnétiques de ces matériaux lorsqu’ils sont exposés à la lumière, en particulier aux excitons et à leur lien avec le magnétisme sous-jacent. Comment se forment-ils ? Peuvent-ils être contrôlés ?
Les excitons
Un matériau solide est composé de différentes particules élémentaires comme les protons et les électrons. Les quasi-particules, moins connues du grand public, sont également omniprésentes dans ces matériaux. Parmi elles, les excitons, composés d’un électron et d’un « trou » laissé par l’électron lorsqu’il est excité par la lumière.
Grâce à la mécanique quantique, l’électron et le trou restent connectés et interagissent électrostatiquement, formant une nouvelle particule composite : l’exciton.
Contrairement aux électrons, les excitons n’ont pas de charge mais possèdent un spin, comparable à un aimant élémentaire. Dans un aimant ordinaire, les spins pointent tous dans la même direction. Cependant, les spins peuvent s’organiser de différentes manières, conduisant à divers types de magnétisme. Le magnétisme unique des dihalogénures de nickel est l’une de ces formes moins conventionnelles, ce qui le rend intéressant pour la recherche fondamentale et appliquée.
L’équipe du MIT a exploré la formation des excitons dans les dihalogénures de nickel, identifiant les énergies exactes de lumière nécessaires à leur création dans les trois matériaux étudiés.
« Nous avons mesuré et identifié l’énergie nécessaire pour former les excitons dans trois halogénures de nickel différents en modifiant chimiquement l’atome d’halogène du chlore au brome puis à l’iode », explique Occhialini. « C’est une étape cruciale pour comprendre comment les photons pourraient interagir avec ou surveiller l’état magnétique de ces matériaux. » Les applications potentielles incluent l’informatique quantique et de nouveaux capteurs.
Ces travaux pourraient également aider à prédire de nouveaux matériaux avec des excitons ayant d’autres propriétés intéressantes. De plus, bien que les excitons proviennent des atomes de nickel, l’équipe a découvert qu’ils ne restent pas localisés sur ces sites atomiques. « Nous avons montré qu’ils peuvent passer d’un site à l’autre à travers le cristal », explique Occhialini. « Cette observation ouvre une fenêtre sur la compréhension de leur interaction avec les propriétés magnétiques du matériau. »
Un outil spécial
La diffusion inélastique résonante des rayons X (RIXS), une technique expérimentale développée par les co-auteurs Pelliciari et Bisogni, est essentielle pour observer les sauts d’excitons. Seules quelques installations dans le monde disposent d’instruments RIXS avancés à haute résolution énergétique, dont l’une se trouve à Brookhaven. Pelliciari et Bisogni font partie de l’équipe qui gère les installations RIXS à Brookhaven. Occhialini rejoindra cette équipe en tant que postdoctorant après avoir obtenu son doctorat au MIT.
RIXS, avec sa sensibilité spécifique aux excitons des atomes de nickel, a permis à l’équipe de « jeter les bases d’un cadre général pour les systèmes aux dihalogénures de nickel », explique Pelliciari. « Cela nous a permis de mesurer directement la propagation des excitons. »
Ce travail a été soutenu par le Département américain de l’énergie, Basic Energy Science et le Brookhaven National Laboratory via le Co-design Center for Quantum Advantage (C2QA), un centre de recherche sur les sciences de l’information quantique du DoE.
