Les neutrons explorent les secrets quantiques d'un isolant exotique
Une étude récente, publiée dans Nature Communications, révèle une transition inattendue entre deux états isolants distincts pour les isolants de Mott. Les expériences de diffractométrie neutronique menées à l'ILL, sur le diffractomètre à deux axes de haute résolution D2B, ouvrent la voie à des technologies avancées en fournissant des informations essentielles sur le comportement électronique complexe de ces matériaux isolants.
Le diffractomètre à deux axes D2B © Max Alexander
Les isolants de Mott sont des matériaux particuliers : théoriquement, ils devraient être conducteurs, mais en réalité, ce sont des isolants. Ce comportement inattendu provient du fait que leurs porteurs de charge sont inactifs en raison de la répulsion de Coulomb – le fait que des charges électriques similaires se repoussent mutuellement. Modifier les propriétés des isolants de Mott peut mener à de nouveaux états électroniques exotiques. Une exploration fondamentale des différents types de ces matériaux présente donc un intérêt capital.
La spectroscopie neutronique permet de mesurer les énergies des transitions pertinentes. Une bonne résolution énergétique est un aspect clé pour de telles études. Un exemple d'isolant de Mott est le matériau CeMnAsO1-xFx. Ses composants sont le cérium (Ce), le manganèse (Mn), l'arsenic (As), l'oxygène (O) et le fluor (F). La valeur "x" représente la fraction de fluor, variant de 0 à 0,05 selon les différentes versions du matériau. Ce composé a été étudié avec succès sur le diffractomètre neutronique à haute résolution D2B de l'ILL par une collaboration franco-britannique.
[Translate to Français:] The temperature-dependent resistivity of CeMnAsO1-x Fx , showing an insulator-insulator transition for x > 0.03. The inset shows the variation of log(resistivity) versus inverse temperature where the insulator-insulator transition is observed for x = 0.035, 0.050 and 0.075.
« En dessous d'une certaine température caractéristique, nous avons observé des échantillons deCeMnAsO1-xFx passer d'un isolant de Mott à un isolant quantique », explique Abbie McLaughlin, chercheuse principale du projet. Contrairement aux isolants de Mott, les isolants quantiques permettent aux porteurs de charge d'être mobiles à leur surface. Malgré cela, les isolants quantiques restent non conducteurs en leur cœur.
« Nous avons également découvert que nous pouvions ajuster cette température en modifiant légèrement le rapport de composition du matériau », ajoute Abbie McLaughlin. Cette ajustabilité présente un grand intérêt pour les applications pratiques de ce matériau dans divers dispositifs fonctionnels. Ceux-ci pourraient inclure des technologies de pointe telles que l'informatique quantique et les calculs neuromorphiques, qui reposent sur la reproduction des voies de calcul du cerveau humain.
Curieusement, les explications classiques de cette transition, telles que les changements de symétrie cristalline, ont été écartées par des expériences de diffraction neutronique précises et dépendantes de la température, menées par les scientifiques. Une explication détaillée des phénomènes observés reste encore à élucider et est probablement de nature exotique, n'ayant pas été observée à ce jour. Ces expériences ont donc ouvert la voie à une physique nouvelle et passionnante, offrant une pléthore d'opportunités pour la recherche fondamentale et appliquée.
Référence : E. J. Wildman, G. B. Lawrence, A. Walsh, K. Morita, S. Simpson, C. Ritter, G. B. G. Stenning, A. M. Arevalo-Lopez & A. C. Mclaughlin - Observation of an exotic insulator to insulator transition upon electron doping the Mott insulator CeMnAsO. Nat Commun14, 7037 (2023). https://doi.org/10.1038/s41467-023-42858-3
Instrument ILL : D2B
Contact ILL : C. Ritter