Des chercheurs de l’Université Rice, en collaboration avec d’autres institutions, ont mis en évidence des preuves directes de bandes électroniques planes actives dans un superconducteur de type kagomé. Cette découverte pourrait ouvrir la voie à de nouvelles méthodes de conception de matériaux quantiques, y compris des supraconducteurs, des isolants topologiques et de l’électronique basée sur le spin, qui pourraient alimenter les technologies de l’électronique et de l’informatique futures.
L’étude, dirigée par Pengcheng Dai, Ming Yi et Qimiao Si du département de physique et d’astronomie de Rice, en collaboration avec Di-Jing Huang du National Synchrotron Radiation Research Center de Taïwan, a été publiée dans Nature Communications. Elle se concentre sur le métal de type kagomé à base de chrome, CsCr₃Sb₅, qui devient supraconducteur sous pression.
Les métaux de type kagomé, caractérisés par des réseaux bidimensionnels formés de triangles partageant des sommets, ont récemment été prédits pour abriter des orbitales moléculaires compactes, ou des motifs d’ondes stationnaires d’électrons. Cela pourrait potentiellement faciliter une supraconductivité non conventionnelle et des ordres magnétiques nouveaux, activés par des effets de corrélation électronique. Dans la plupart des matériaux, ces bandes planes restent trop éloignées des niveaux d’énergie actifs pour avoir un impact significatif, mais dans CsCr₃Sb₅, elles sont directement impliquées et influencent les propriétés du matériau.
« Nos résultats confirment une prédiction théorique surprenante et établissent une voie pour l’ingénierie de la supraconductivité exotique par un contrôle chimique et structurel », a déclaré Dai, professeur de physique et d’astronomie.
Cette découverte fournit une preuve expérimentale d’idées qui n’existaient jusqu’alors que dans des modèles théoriques. Elle démontre également comment la géométrie complexe des réseaux kagomé peut être utilisée comme outil de conception pour contrôler le comportement des électrons dans les solides.
« En identifiant des bandes planes actives, nous avons montré un lien direct entre la géométrie du réseau et l’émergence d’états quantiques », a ajouté Yi, professeur associé de physique et d’astronomie.
Pour cette recherche, l’équipe a utilisé deux techniques synchrotron avancées, en plus de la modélisation théorique, pour examiner la présence de modes électroniques d’ondes stationnaires actives. Ils ont utilisé la spectroscopie de photoémission à angle résolu (ARPES) pour cartographier les électrons émis sous lumière synchrotron, révélant des signatures distinctes associées à des orbitales moléculaires compactes. La diffusion inélastique par rayons X résonnants (RIXS) a mesuré les excitations magnétiques liées à ces modes électroniques.
« Les résultats d’ARPES et de RIXS de notre équipe collaborative permettent d’obtenir une image cohérente, démontrant que les bandes planes ne sont pas des spectateurs passifs, mais des acteurs actifs dans la configuration du paysage magnétique et électronique », a déclaré Si, professeur de physique et d’astronomie. « Il est fascinant de constater cela, étant donné qu’auparavant, nous n’avions pu observer de telles caractéristiques que dans des modèles théoriques abstraits. »
Un soutien théorique a été apporté par l’analyse de l’effet des corrélations fortes à partir d’un modèle de réseau électronique sur mesure, qui a répliqué les caractéristiques observées et guidé l’interprétation des résultats. Fang Xie, boursier junior de l’Académie Rice et co-premier auteur, a dirigé cette partie de l’étude.
Obtenir des données aussi précises nécessitait de cristaux de CsCr₃Sb₅ particulièrement grands et purs, synthétisés grâce à une méthode raffinée, produisant des échantillons 100 fois plus grands que les tentatives précédentes, a déclaré Zehao Wang, étudiant diplômé à Rice et co-premier auteur.
Ce travail souligne le potentiel de la recherche interdisciplinaire, a ajouté Yucheng Guo, étudiant diplômé à Rice et co-premier auteur ayant dirigé les travaux d’ARPES. « Ce projet a été possible grâce à la collaboration existent entre la conception de matériaux, la synthèse, la caractérisation par spectroscopie électronique et magnétique, ainsi que la théorie », a-t-il conclu.
Plus d’informations :
Zehao Wang et al., Excitations de spin et bandes électroniques planes dans un superconducteur basé sur Cr, Nature Communications (2025). DOI: 10.1038/s41467-025-62298-5
Bon à savoir
- Les métaux de type kagomé sont au cœur de plusieurs recherches avancées en physique des matériaux.
- La découverte de bandes électroniques planes actives pourrait permettre des avancées dans le domaine des supraconducteurs à haute température.
- Ces avancées en recherche nécessitent souvent des équipes multidisciplinaires, un aspect de plus en plus important dans le domaine scientifique.
La recherche sur les matériaux quantiques suscite un intérêt croissant. Ce développement dans le domaine des supraconducteurs pourrait transformer non seulement nos appareils électroniques mais également notre compréhension des phénomènes quantiques. Les implications pour l’avenir de l’électronique sont vastes, soulevant la question de l’évolution de ces technologies au cours des prochaines décennies.