Des chercheurs américains découvrent un nouvel état quantique dans un matériau original

Vchal/istock

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Une collaboration de physiciens travaillant dans différents instituts aux États-Unis a découvert un nouvel état quantique dans un alliage composé de magnésium, de silicium et de tellure, indique un communiqué de presse. Cette découverte pourrait déboucher sur des applications en informatique quantique, telles que la construction de capteurs et de systèmes de communication.

L'alliage est une structure cristalline désignée par Mn3Si2Te6 et se compose de cellules octogonales placées dans un agencement en nid d'abeille vu de dessus. Cependant, vu de côté, il se compose de feuilles empilées.

Les électrons peuvent se déplacer librement à l’intérieur de la structure. Cependant, en raison du caractère aléatoire du flux, le déplacement des électrons ressemble beaucoup à celui des véhicules dans un embouteillage, conférant au matériau les propriétés d’un isolant.

Les chercheurs souhaitaient étudier l’alliage en raison d’une propriété qu’ils avaient remarquée plus tôt. Appelé magnétorésistance, le matériau présente une conductivité améliorée lorsqu'il est placé en présence d'un champ magnétique.

Bien que ce changement de nature ne soit pas visible pour la plupart des matériaux, il a déjà été observé pour certains. Dans le cas de cet alliage, la magnétorésistance a été qualifiée de colossale puisque, en présence du champ magnétique, elle cesse de se comporter comme un isolant et agit plutôt comme un fil conducteur.

Les chercheurs ont également découvert que la magnétorésistance colossale n’entrait en vigueur que lorsque le champ magnétique était appliqué perpendiculairement à la surface en forme de nid d’abeille. Même si cela n’était pas vrai pour la magnétorésistance observée dans d’autres matériaux, les chercheurs avaient besoin d’un nouveau modèle pour expliquer pourquoi cet alliage se comportait ainsi.

Bartlomiej Wroblewski/iStock

Les physiciens théoriciens de Georgia Tech ont développé un nouveau modèle mathématique dans lequel ils ont découvert que les flux de courant entre les ions magnétiques de manganèse étaient interdits par symétrie. Cependant, les ions tellure disposés de manière octaédrique pourraient transporter les courants lorsque le champ magnétique était appliqué d’une manière particulière.

Fait intéressant, les chercheurs ont également découvert que le matériau pouvait passer du statut d’isolant à celui de conducteur même lorsqu’un courant électrique était appliqué. Cette transition, cependant, n’a pas été immédiate et a pu prendre entre quelques secondes et quelques minutes.

Les chercheurs souhaitent exploiter ce changement plus lent pour développer de nouvelles applications dans les dispositifs quantiques contrôlés actuels, qui pourraient être utilisés à diverses fins allant de l'informatique à la détection en passant par la communication.

Avant cela, les chercheurs doivent encore mieux comprendre cet état quantique récemment découvert, tout en déterminant quels autres matériaux présentent ces propriétés.

Les résultats de la recherche ont été publiés dans la revue Nature.

Résumé de l'étude :

La magnétorésistance colossale (CMR) est une extraordinaire amélioration de la conductivité électrique en présence d'un champ magnétique. Elle est classiquement associée à une polarisation de spin induite par un champ qui réduit considérablement la diffusion de spin et la résistance électrique. Le fermagnétique Mn3Si2Te6 est une exception intéressante à cette règle : il présente une réduction de sept ordres de grandeur de la résistivité du plan ab qui se produit uniquement lorsqu'une polarisation magnétique est évitée1,2. Nous rapportons ici un état quantique exotique qui est piloté par des courants orbitaux chiraux (COC) dans le plan ab circulant le long des bords des octaèdres MnTe6. Les moments orbitaux de l'axe c du plan ab COC se couplent aux spins ferrimagnétiques Mn pour augmenter considérablement la conductivité du plan ab (CMR) lorsqu'un champ magnétique externe est aligné le long de l'axe c magnétique dur. Par conséquent, le CMR piloté par COC est très sensible aux petits courants continus dépassant un seuil critique et peut induire une commutation bistable dépendant du temps qui imite une « transition de fusion » de premier ordre qui est une caractéristique de l’état COC. Le contrôle actuel démontré du CMR activé par COC offre un nouveau paradigme pour les technologies quantiques.