L’avenir de l’électronique : de nouveaux arcs de Fermi découverts

Les arcs de Fermi récemment découverts et contrôlables par le magnétisme pourraient être l’avenir de l’électronique basée sur les spins des électrons.

Ces nouveaux arcs de Fermi ont été découverts par une équipe de chercheurs du Ames Laboratory et de l’Iowa State University, ainsi que par des collaborateurs des États-Unis, d’Allemagne et du Royaume-Uni. Au cours de leur enquête sur le monopnictide de terre rare NdBi (néodyme-bismuth), l’équipe de recherche a découvert un nouveau type d’arc de Fermi qui est apparu à basse température lorsque le matériau est devenu antiferromagnétique, c’est-à-dire que les spins voisins pointent dans des directions opposées.

Les surfaces de Fermi dans les métaux sont une frontière entre les états d’énergie occupés et inoccupés par les électrons. Les surfaces de Fermi sont normalement des contours fermés formant des formes telles que des sphères, des ovoïdes, etc. Les électrons à la surface de Fermi contrôlent de nombreuses propriétés des matériaux telles que la conductivité électrique et thermique, les propriétés optiques, etc. sont connus sous le nom d’arcs de Fermi et sont souvent associés à des états exotiques comme la supraconductivité.

Crachat de bande magnétique

Gauche : Progression visuelle de la division de la bande magnétique lorsque la température diminue. À droite : le graphique du haut montre le comportement connu de séparation des bandes Zeeman et Rashba. Le bas montre le comportement de séparation de bande nouvellement observé. Crédit : Laboratoire Ames

Adam Kaminski, chef de l’équipe de recherche, a expliqué que les arcs de Fermi nouvellement découverts sont le résultat d’une division de bande d’électrons, qui résulte de l’ordre magnétique des atomes de Nd qui constituent 50 % de l’échantillon. Cependant, la séparation des électrons que l’équipe a observée dans le NdBi n’était pas un comportement typique de séparation des bandes.

Il existe deux types établis de fractionnement de bande, Zeeman et Rashba. Dans les deux cas, les bandes conservent leur forme d’origine après séparation. La séparation des bandes observée par l’équipe de recherche a donné lieu à deux bandes de formes différentes. Au fur et à mesure que la température de l’échantillon diminuait, la séparation entre ces bandes augmentait et les formes des bandes changeaient, indiquant un changement de masse de fermion.

“Cette division est très, très inhabituelle, car non seulement la séparation entre ces bandes augmente, mais elles modifient également la courbure”, a déclaré Kaminski. “C’est très différent de tout ce que les gens ont observé jusqu’à présent.”

Les cas précédemment connus d’arcs de Fermi dans les semi-métaux de Weyl persistent car ils sont causés par la structure cristalline du matériau difficile à contrôler. Cependant, les arcs de Fermi que l’équipe a découverts dans le NdBi sont induits par l’ordre magnétique des atomes de Nd dans l’échantillon. Cet ordre peut être facilement modifié en appliquant un champ magnétique et éventuellement en remplaçant l’ion Nd par un autre ion de terre rare tel que le cérium, le praséodyme ou le samarium (Ce, Pr ou Sm). Comme Ames Lab est un leader mondial dans la recherche sur les terres rares, de tels changements de composition peuvent être facilement explorés.

« Ce nouveau type d’arcs de Fermi apparaît chaque fois que l’échantillon devient antiferromagnétique. Ainsi, lorsque l’échantillon développe un ordre magnétique, ces arcs apparaissent apparemment de nulle part », a déclaré Kaminski.

Selon Kaminski, une autre caractéristique importante de ces nouveaux arcs de Fermi est qu’ils ont ce qu’on appelle une texture de spin. Dans les métaux normaux, chaque état électronique est occupé par deux électrons, un avec un spin vers le haut, un avec un spin vers le bas, il n’y a donc pas de spin net. Les arcs de Fermi nouvellement découverts ont une seule orientation de spin en chacun de leurs points. Comme ils n’existent que dans un état magnétiquement ordonné, les arcs peuvent être allumés et éteints très rapidement en appliquant une impulsion magnétique, par exemple à partir d’un laser ultrarapide.

«Avoir une telle décoration de spin ou une telle texture de spin est important car l’une des quêtes de l’électronique est de s’éloigner de l’électronique basée sur la charge. Tout ce que vous utilisez maintenant est basé sur le déplacement des électrons dans les fils et cela provoque une dissipation », a déclaré Kaminski.

La capacité de contrôler le spin des électrons concerne une nouvelle branche de la technologie de l’information appelée spintronique, qui est basée sur le spin des électrons plutôt que sur le déplacement de charges le long de fils.

“Au lieu de déplacer une charge, nous inversons l’orientation du spin ou provoquons la propagation du spin le long du fil”, a expliqué Kaminski. “Techniquement, ces changements de spin ne devraient pas dissiper d’énergie, il ne coûte donc pas beaucoup d’énergie de stocker des informations sous forme de spin ou de déplacer des informations sous forme de spin.”

Kaminski a souligné l’importance de cette découverte sur le terrain, mais il a déclaré qu’il reste encore beaucoup de travail à faire avant que ces découvertes puissent être utilisées dans les nouvelles technologies.

Référence : “Emergence of Fermi arcs due to magnetic splitting in an antiferromagnet”, par Benjamin Schrunk, Yevhen Kushnirenko, Brinda Kuthanazhi, Junyeong Ahn, Lin-Lin Wang, Evan O’Leary, Kyungchan Lee, Andrew Eaton, Alexander Fedorov, Rui Lou , Vladimir Voroshnin, Oliver J. Clark, Jamie Sánchez-Barriga, Sergey L. Bud’ko, Robert-Jan Slager, Paul C. Canfield et Adam Kaminski, 23 mars 2022, Nature
DOI : https://doi.org/10.1038/s41586-022-04412-x

La croissance et la caractérisation des cristaux ont été soutenues par le Center for the Advancement of Topological Semimetals (CATS), un Energy Frontier Research Center financé par le US DOE, Office of Basic Energy Sciences.

Le laboratoire Ames est un laboratoire national du bureau des sciences du département américain de l’énergie géré par l’université d’État de l’Iowa. Ames Laboratory crée des matériaux, des technologies et des solutions énergétiques innovants. Nous utilisons notre expertise, nos capacités uniques et nos collaborations interdisciplinaires pour résoudre des problèmes mondiaux.

Ames Laboratory est soutenu par le Bureau des sciences du Département américain de l’énergie. L’Office of Science est le plus grand soutien de la recherche fondamentale en sciences physiques aux États-Unis et s’efforce de relever certains des défis les plus urgents de notre époque.

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