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Posté par Redbran le Mardi 14/02/2017 à 12:00
CASSIOPEE YbB12, un nouvel isolant topologique de Kondo
L'étude du composé YbB12 par photoémission résolue en angle réalisée sur la ligne CASSIOPEE a permis de mettre en évidence l'existence d'un état de surface métallique. Les résultats obtenus suggèrent fortement l'origine topologique de cet état de surface (Une surface désigne généralement la couche superficielle d'un objet. Le terme a plusieurs acceptions, parfois objet géométrique,...) induit (L'induit est un organe généralement électromagnétique utilisé en électrotechnique chargé de recevoir l'induction de l'inducteur et de la transformer en électricité...) par l'effet Kondo (1) et suggèrent donc que YbB12 serait un isolant (Un isolant est un matériau qui permet d'empêcher les échanges d'énergie entre deux systèmes. On distingue : les isolants électriques, les isolants thermiques, les isolants phoniques et les isolants...) topologique de Kondo.

A la différence du volume (Le volume, en sciences physiques ou mathématiques, est une grandeur qui mesure l'extension d'un objet ou d'une partie de l'espace.) (c'est-à-dire de l'intérieur) d'un cristal (Cristal est un terme usuel pour désigner un solide aux formes régulières, bien que cet usage diffère quelque peu de la définition scientifique de ce mot. Selon l'Union internationale de...) où les atomes (Un atome (du grec ατομος, atomos, « que l'on ne peut diviser ») est la plus petite partie d'un corps simple pouvant se combiner chimiquement avec une autre. Il est généralement...) sont alignés selon un motif régulier, certains phénomènes particuliers apparaissent à sa surface et, sans surprise, ces phénomènes peuvent également être affectés par le volume. Parmi ces phénomènes physiques, les états de surface topologiques dont les propriétés sont déterminées par la symétrie des états électroniques du volume, suscitent un intérêt particulier.

Un état de surface topologique permet l'écoulement d'un courant de charge (La charge utile (payload en anglais ; la charge payante) représente ce qui est effectivement transporté par un moyen de transport donné, et qui donne lieu à un paiement ou...) sans que celui-ci soit affecté par la structure atomique fine ou par la contamination de la surface cristalline, et l'orientation (Au sens littéral, l'orientation désigne ou matérialise la direction de l'Orient (lever du soleil à l'équinoxe) et des points cardinaux (nord de la...) des spins dépend de la direction de propagation des électrons même si le volume n'est pas magnétique. De gros efforts de recherche (La recherche scientifique désigne en premier lieu l’ensemble des actions entreprises en vue de produire et de développer les connaissances scientifiques. Par extension métonymique, la recherche scientifique désigne...) ont été faits dans le but de mettre en application les états de surface topologiques dans les semiconducteurs de future génération pour des dispositifs de spintronique et notamment, les effets de corrélations électroniques sur les états de surface topologiques ont été particulièrement étudiés ces dernières années.

Les fortes corrélations électroniques peuvent être à l'origine de nombreux phénomènes, tels que la supraconductivité (La supraconductivité est un phénomène survenant dans certains matériaux dits supraconducteurs. Il est caractérisé par l'absence de résistance électrique et l'annulation du champ magnétique à...) à haute température (La température est une grandeur physique mesurée à l'aide d'un thermomètre et étudiée en thermométrie. Dans la vie...) ou la magnétorésistance géante (Une étoile géante est une étoile de classe de luminosité II ou III. Dans le diagramme de Hertzsprung-Russell, les géantes forment deux branches au-dessus de la séquence...) en volume. Plusieurs nouveaux phénomènes physiques dus à la combinaison (Une combinaison peut être :) de ces propriétés et des états de surface topologiques sont prédits théoriquement. En particulier, il a été prédit que la combinaison de fortes corrélations électroniques avec une interaction (Une interaction est un échange d'information, d'affects ou d'énergie entre deux agents au sein d'un système. C'est une action réciproque qui suppose l'entrée en contact de sujets.) spin-orbite pouvait conduire à de nouveaux états topologiques de nature quantique dans les isolants de Kondo1: les isolants topologiques de Kondo. Cependant, les chercheurs rencontrent des difficultés expérimentales à générer des états de surface topologiques, qui sont intimement liées aux effets de fortes corrélations électroniques. Un isolant particulier, l'hexaboride de samarium SmB6, qui présente une transition de phase (En physique, une transition de phase est une transformation du système étudié provoquée par la variation d'un paramètre extérieur particulier (température, champ magnétique...).) métal (Un métal est un élément chimique qui peut perdre des électrons pour former des cations et former des liaisons métalliques ainsi que...) – semiconducteur via l'effet Kondo à basse température, a pourtant été décrit comme un possible isolant topologique de Kondo. Néanmoins, certains travaux ont conduit à une interprétation différente (En mathématiques, la différente est définie en théorie algébrique des nombres pour mesurer l'éventuel défaut de dualité...) de l'état électronique de surface et il n'est donc pas très clair si SmB6 est bien un isolant topologique de Kondo, ou si un état de surface topologique pourrait être engendré par les corrélations électroniques.

Une équipe de recherche, issue d'une collaboration entre l'Université (Une université est un établissement d'enseignement supérieur dont l'objectif est la production du savoir (recherche), sa conservation et sa transmission (études...) d'Osaka, l'institut (Un institut est une organisation permanente créée dans un certain but. C'est habituellement une institution de recherche. Par exemple, le...) des sciences moléculaires d'Okazaki, l'institut des sciences de structure de la matière (La matière est la substance qui compose tout corps ayant une réalité tangible. Ses trois états les plus communs sont l'état solide, l'état liquide, l'état gazeux. La matière occupe de...) (IMSS-KEK), l'Université d'Ibaraki et de la ligne CASSIOPEE à SOLEIL (Le Soleil (Sol en latin, Helios ou Ήλιος en grec) est l'étoile centrale du système solaire. Dans la classification astronomique, c'est une étoile de type...), a développé une nouvelle méthode pour obtenir une surface propre et bien définie d'un monocristal de boride d'ytterbium YbB12, et étudié son état électronique de surface par des mesures de photoémission angulaire (ARPES) résolues en spin (Le spin est une propriété quantique intrinsèque associée à chaque particule, qui est caractéristique de la nature de la particule, au...) et en symétrie.

La figure 1 présente le diagramme (Un diagramme est une représentation visuelle simplifiée et structurée des concepts, des idées, des constructions, des relations, des données statistiques, de l'anatomie...) de diffraction (La diffraction est le comportement des ondes lorsqu'elles rencontrent un obstacle qui ne leur est pas complètement transparent ; le phénomène peut être interprété par la diffusion d'une onde par les points de l'objet. La...) d'électrons lents (LEED) observé après le processus de nettoyage. Les taches fines et bien définies et le faible fond diffus montrent qu'une surface (001) propre et bien ordonnée de YbB12 a été obtenue. En plus des taches de diffraction correspondant au paramètre (Un paramètre est au sens large un élément d'information à prendre en compte pour prendre une décision ou pour effectuer un calcul.) de maille de la surface (001), des taches d'ordre fractionnaire révélatrices d'une reconstruction de surface sont également observées. Le diagramme de diffraction présente une symétrie d'ordre 4, ce qui est attendu pour la structure de volume du cristal (voir la partie gauche de la figure 1).


(gauche) Structure atomique du cristal YbB12 (Yb en vert et B en gris).
(droite) Diagramme de diffraction d'électrons lents de la surface propre de YbB12. Les taches fines et brillantes indiquent que la surface est propre et bien ordonnée.

La figure 2 présente les résultats d'ARPES révélant la structure électronique de surface. On peut constater que l'état métallique (ligne jaune (Il existe (au minimum) cinq définitions du jaune qui désignent à peu près la même couleur :) sur la figure 2(a)) disperse continûment sur tout (Le tout compris comme ensemble de ce qui existe est souvent interprété comme le monde ou l'univers.) le gap de volume. La structure électronique de volume de YbB12 ne pouvant comporter de tels états métalliques dispersant à travers tout le gap de Kondo, cet état métallique provient forcément de la structure électronique de surface. De plus, les mesures de dichroïsme circulaire en ARPES réalisées sur CASSIOPEE révèlent une polarisation ( la polarisation des ondes électromagnétiques ; la polarisation dûe aux moments dipolaires dans les matériaux diélectriques ; En électronique, la polarisation est...) orbitale hélicoïdale de l'état de surface métallique, ce qui est très lié à une polarisation en spin. Ces résultats suggèrent fortement l'origine topologique des états de surface de YbB12, engendrés par l'effet Kondo.


Figure 2:
(a) Diagramme d'énergie (Dans le sens commun l'énergie désigne tout ce qui permet d'effectuer un travail, fabriquer de la chaleur, de la lumière, de produire un mouvement.) en fonction du vecteur (En mathématiques, un vecteur est un élément d'un espace vectoriel, ce qui permet d'effectuer des opérations d'addition et de...) d'onde (Une onde est la propagation d'une perturbation produisant sur son passage une variation réversible des propriétés physiques locales. Elle transporte de...) des états électroniques de surface de YbB12. Les zones sombres correspondent aux intensités les plus élevées. La ligne guide jaune indique la dispersion (La dispersion, en mécanique ondulatoire, est le phénomène affectant une onde dans un milieu dispersif, c'est-à-dire dans lequel les...) de l'état de surface et la fenêtre (En architecture et construction, une fenêtre est une baie, une ouverture dans un mur ou un pan incliné de toiture, avec ou sans vitres.) inférieure présente la courbe (En géométrie, le mot courbe, ou ligne courbe désigne certains sous-ensembles du plan, de l'espace usuels. Par exemple, les droites, les segments, les lignes polygonales et les cercles sont des courbes.) de distribution des moments à 0 meV d'énergie de liaison.
(b) Structure de la polarisation orbitale du moment angulaire (En physique, le moment angulaire ou moment cinétique est la grandeur physique qui joue un rôle analogue à la quantité de mouvement dans le cas des rotations. Comme le moment angulaire dépend du choix de...) obtenue par dichroïsme circulaire en ARPES. Les zones rouges et bleues représentent la polarisation selon deux directions opposées. La ligne pointillée indique la dispersion de l'état de surface présentée en (a).

Note:

(1) - Effet Kondo et isolant de Kondo
Dans certains systèmes intermétalliques à base de terres rares (Les terres rares sont un groupe de métaux aux propriétés voisines comprenant le scandium 21Sc, l'yttrium 39Y et les quinze lanthanides.), la coexistence d'états 4f incomplets et d'électrons de conduction peut conduire à l'apparition d'un effet Kondo. En effets, les états 4f sont très localisés sur les sites des ions de terre (La Terre est la troisième planète du Système solaire par ordre de distance croissante au Soleil, et la quatrième par taille et par masse croissantes. C'est la plus grande et la plus massive des quatre planètes...) rare et si ces états ne sont pas complètement (Le complètement ou complètement automatique, ou encore par anglicisme complétion ou autocomplétion, est une fonctionnalité informatique permettant à l'utilisateur...) occupés, ils forment un moment magnétique (En magnétostatique, soit une distribution de courants permanents à support compact de volume V.) très localisé. D'un autre côté, les électrons de conduction sont complètement délocalisés et peuvent être diffusés par les moments magnétiques 4f. A haute température ces interactions sont sans conséquence mais lorsque la température diminue, ces interactions deviennent importantes comparé aux autres énergies. On définit alors la température de Kondo qui est la température en-dessous de laquelle on assiste à un couplage entre les moments magnétiques et les électrons de conduction qui forment des quasi-particules non magnétiques (couplage antiferromagnétique) et de masse (Le terme masse est utilisé pour désigner deux grandeurs attachées à un corps : l'une quantifie l'inertie du corps (la masse inerte) et l'autre la contribution du corps à la...) effective très élevée qui traduit le piégeage des électrons de conduction. L'impossibilité pour les électrons de conduction de se déplacer en-dessous de la température de Kondo correspond, en physique (La physique (du grec φυσις, la nature) est étymologiquement la « science de la nature ». Dans un sens général et ancien, la physique désigne la connaissance de la...) du solide, à l'ouverture d'un gap au niveau de Fermi dans la structure de bande et à l'apparition d'une phase (Le mot phase peut avoir plusieurs significations, il employé dans plusieurs domaines et principalement en physique :) isolante.

Publication associée:
“Surface Kondo effect and non-trivial metallic state of the Kondo insulator YbB12”.
Hagiwara, K., Ohtsubo, Y., Matsunami, M., Ideta, S. I., Tanaka, K., Miyazaki, H., Rault, J. E., Le Fèvre, P., Bertran, F., Taleb-Ibrahimi, A., Yukawa, R., Kobayashi, M., Horiba, K., Kumigashira, H., Sumida, K., Okuda, T., Iga, F. and Kimura, S. I.
Nature Communications, 2016, 7: art.n° 13690

Contact chercheur:
Yoshiyuki Ohtsubo


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Source: Synchrotron Soleil
 
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