Effet de désordre contrôlé par irradiation sur la conductivité électrique balistique des delafossites

Publié par Redbran le 10/05/2021 à 13:00
Source: CEA IRAMIS
Il est surprenant que parmi les matériaux possédant la conductivité électrique la plus élevée on trouve les oxydes de la famille des delafossites: PtCoO2, PdCoO2, et PtCrO2. Leur structure lamellaire consiste en des couches métalliques triangulaires (Pt,Pd) confinées entre des couches isolantes formées par des octaèdres CoO2/CrO2. Ce sont des conducteurs 2D naturels remarquables puisque le libre parcours moyen (LPM) des porteurs de charge (La charge utile (payload en anglais ; la charge payante) représente ce qui est effectivement...) atteint des dizaines de µm à basse température (La température est une grandeur physique mesurée à l'aide d'un thermomètre et...).

Le régime de conductivité balistique (La balistique est la science qui a pour objet l'étude du mouvement des projectiles.) observé dans les plans Pt/Pd est accompagné par des oscillations quantiques de magnétorésistance dans la direction perpendiculaire (En géométrie plane, on dit que deux droites sont perpendiculaires quand elles se coupent en...) aux plans. La période h/e des oscillations, en fonction de l'amplitude (Dans cette simple équation d’onde :) du champ (Un champ correspond à une notion d'espace défini:) appliqué, est égale au double du quantum (En physique, un quantum (mot latin signifiant « combien » et qui s'écrit...) de flux (Le mot flux (du latin fluxus, écoulement) désigne en général un ensemble d'éléments...) magnétique et directement liée au confinement de l'induction magnétique (Le phénomène d'induction électromagnétique (ou induction magnétique ou, simplement, induction)...) entre les plans Pt/Pd dans la largeur (La largeur d’un objet représente sa dimension perpendiculaire à sa longueur, soit...) de l'échantillon (De manière générale, un échantillon est une petite quantité d'une matière, d'information, ou...). L'explication du phénomène par le très faible niveau de rétrodiffusion de porteurs a été l'objet (De manière générale, le mot objet (du latin objectum, 1361) désigne une entité définie dans...) de multiples controverses [1]. En perturbant le système par irradiation (En physique nucléaire, l'irradiation désigne l'action d'exposer (volontairement ou...) avec des électrons de haute énergie (Dans le sens commun l'énergie désigne tout ce qui permet d'effectuer un travail, fabriquer de la...), on prouve que c'est uniquement la perfection exceptionnelle des couches Pt/Pd, avec moins d'un défaut pour 105 sites, qui permet d'expliquer les propriétés magnéto-électriques originales des delafossites [2].

Les structures naturelles des conducteurs bidimensionnels, tels que le graphène (Cet article ne doit pas être confondu avec l’article graphème.), les surfaces des isolants topologiques (conducteurs en surface (Une surface désigne généralement la couche superficielle d'un objet. Le terme a...) / isolant (Un isolant est un matériau qui permet d'empêcher les échanges d'énergie entre deux systèmes....) en volume) et les delafossites, ont en commun un libre parcours moyen (LPM) des électrons très élevé, révélant leur nature ondulatoire. La résistivité (La résistivité d'un matériau, généralement symbolisée par la lettre...) à basse température des delafossites, inférieure à 10 ncm correspond à un LPM de 20 µm. C'est la conséquence d'un très faible taux de rétrodiffusion des porteurs de charge. Deux explications ont été proposées de ce phénomène: la perfection de la structure cristalline de couche Pt/Pd ou une structure de bandes électroniques particulière interdisant la rétrodiffusion, à l'instar de celle des isolants topologiques.

Une collaboration de chercheurs, à laquelle est associée le LSI, montre que l'introduction contrôlée de défauts hors équilibre par irradiation aux électrons de haute énergie et la mesure in-situ de résistivité à basse température (20 K) peuvent permettre de trancher entre ces deux hypothèses. La variation de l'énergie de faisceau permet la mesure de l'énergie seuil et de la section efficace (Une section efficace est une grandeur physique correspondant à la probabilité d'interaction d'une...) de création des défauts, paramètres indispensables pour estimer la concentration de défauts introduits par l'irradiation. Il est observé que leur énergie de formation est très élevée, ce qui en retour entraine la formation d'un très faible nombre (La notion de nombre en linguistique est traitée à l’article « Nombre...) des défauts (1 sur 105 sites) dans les échantillons non irradiés, à l'origine du très long LPM des électrons.


A gauche: Structure lamellaire du delafossite PtCoO2. Au centre: image d'un échantillon découpé par FIB, dédiée aux mesures de magnétorésistance perpendiculaire aux plans selon le schéma du bas. A droite, en haut, vue (La vue est le sens qui permet d'observer et d'analyser l'environnement par la réception et...) schématique du confinement du flux magnétique entre les plans Pt, à l'origine des oscillations de la magnétorésistance en fonction du champ de période h/e, présentées sur le panel (Le panel est un groupe de personnes interrogées régulièrement sur leurs opinions ou leurs...) du dessous pour le régime balistique (courbe orange) et après conversion en régime diffusif par irradiation aux électrons (courbe noire).

Sur les mêmes échantillons, le taux de défauts induits par irradiation induit (L'induit est un organe généralement électromagnétique utilisé en électrotechnique chargé de...) le passage contrôlé du régime balistique initial, où le LPM dépasse la taille de l'échantillon, vers un régime diffusif. L'irradiation a été aussi utilisée pour l'exploration (L'exploration est le fait de chercher avec l'intention de découvrir quelque chose d'inconnu.) de phénomènes nouveaux, tel que les oscillations mésoscopiques de la magnétorésistance perpendiculaire aux plans Pt/Pd en fonction du champ magnétique (En physique, le champ magnétique (ou induction magnétique, ou densité de flux...).

La conduction dans la direction perpendiculaire aux plans est un phénomène spécifique aux delafossites. Elle implique un effet tunnel (L'effet tunnel désigne la propriété que possède un objet quantique de franchir...) cohérent à travers les couches isolantes formées par les octaèdres CoO2 (ou CrO2). La résistivité selon l'axe cristallographique c est alors 1000 fois supérieure à celle dans les plans Pt/Pd. Pour permettre cette mesure, des échantillons colonnaires de largeur variées, allongés dans la direction c, ont êtes découpées par FIB. (voir figure).

Des mesures de magnétorésistance réalisées à 2K avec un champ magnétique parallèle aux plans Pt révèlent des oscillations périodiques en fonction de l'amplitude du champ appliqué, dont la période correspond au quantum de flux h/e (où h est la constante de Planck (En physique, la constante de Planck, notée h, est une constante utilisée pour décrire la taille...) et e la charge de l'électron), confiné entre les couches Pt adjacentes dans la largeur de l'échantillon [3]. Des observations (L’observation est l’action de suivi attentif des phénomènes, sans volonté de les...) similaires sont obtenues sur plusieurs échantillons de largeurs variées.

La période (h/e) diffère cependant des oscillations quantiques usuellement observées: les oscillations de Shubnikov-de Haas liées à la surface de la sphère (En mathématiques, et plus précisément en géométrie euclidienne, une...) de Fermi sont périodiques en 1/B et les oscillations de Aharonov-Bohm, dont l'origine est l'interférence (En mécanique ondulatoire, on parle d'interférences lorsque deux ondes de même type...) de deux trajectoires des électrons contournant le flux magnétique, sont périodiques en h/2e. Il s'agit donc d'un phénomène nouveau, dont la relation avec le régime de conduction balistique dans les plans Pt a pu être démontrée sous l'effet de l'irradiation: une réduction du LPM d'un facteur 20 a été produite par irradiation aux électrons de 2.5 MeV auprès de l'accélérateur SIRIUS (Sirius est l'étoile principale de la constellation du Grand Chien. Vue de la Terre, Sirius est...), ce qui impose une transition du régime de conductivité balistique vers un régime diffusif. La disparition des oscillations périodiques en h/e est alors constatée dans l'échantillon irradié en régime diffusif. L'amincissement de l'échantillon jusqu'à une taille inférieure au LPM permet le retour au régime balistique, ce qui fait réapparaitre les oscillations périodiques de la magnétorésistance.

En conclusion, il est montré qu'il est possible de contrôler le régime de diffusion (Dans le langage courant, le terme diffusion fait référence à une notion de...) des porteurs par le désordre atomique induit par irradiation aux électrons. Cette méthode originale est ainsi un outil (Un outil est un objet finalisé utilisé par un être vivant dans le but d'augmenter son...) utile pour l'exploration des propriétés des matériaux (Un matériau est une matière d'origine naturelle ou artificielle que l'homme façonne pour en...) quantiques. Les expériences conduites sur les delafossites montre ainsi la relation directe entre le régime d'oscillations en h/e de la magnétorésistance avec le régime balistique de conductivité dans le plans Pt/Pd.

Notes:

[1]. “The properties of ultrapure delafossite metals”
A.P. Mackenzie, Rep. Prog. Phys. 80, (2017) 032501

[2] "Controlled introduction of defects to delafossite metals by electron irradiation"
V.Sunko, P.H.McGuinness, C.S.Chang, E.Zhakina, S.Khim, E.Dreyer, M.Konczykowski, H.Borrmann, P.J.W.Moll, M.König, D.A.Muller, and A.P.Mackenzie, Phys Rev X 10 (2020) 021018.

[3] “h/e oscillations in interlayer transport (Le transport est le fait de porter quelque chose, ou quelqu'un, d'un lieu à un autre, le plus...) of delafossites”
C. Putzke, M. D.Bachmann, P. McGuinness, E. Zhakina, V. Sunko, M. Konczykowski, T. Oka, R. Moessner, A. Stern, M. König, S. Khim, A. P. Mackenzie, P. J.W.Moll, Science (La science (latin scientia, « connaissance ») est, d'après le dictionnaire...) 368 (2020) 1234-1238.

Contact:
Contact CEA-IRAMIS: Rormain Grasset et Marcin Konczykowski, Laboratoire des Solides Irradiés, LSI /SIRIUS et LSI/Nouveau Etats Electroniques)

Collaborations:
- Max Planck (Max Planck (né Max Karl Ernst Ludwig Planck le 23 avril 1858 à Kiel, Allemagne...) Institute for Chemical Physics of Solids, 01187 Dresden, Allemagne (groupe A.P. Mackenzie)
- Laboratory of Quantum Materials (QMAT), Institute of Materials, École Polytechnique Fédéral de Lausanne (EPFL), 1015 Lausanne, Suisse (groupe P.J.W. Moll)
- Laboratoire des Solides Irradiés, CEA/DRF/lRAMIS, École Polytechnique, CNRS (Le Centre national de la recherche scientifique, plus connu sous son sigle CNRS, est le plus grand...), Institut (Un institut est une organisation permanente créée dans un certain but. C'est...) Polytechnique de Paris (Paris est une ville française, capitale de la France et le chef-lieu de la région...), 91128 Palaiseau, France.
Cet article vous a plu ? Vous souhaitez nous soutenir ? Partagez-le sur les réseaux sociaux avec vos amis et/ou commentez-le, ceci nous encouragera à publier davantage de sujets similaires !
Page générée en 0.128 seconde(s) - site hébergé chez Contabo
Ce site fait l'objet d'une déclaration à la CNIL sous le numéro de dossier 1037632
Ce site est édité par Techno-Science.net - A propos - Informations légales
Partenaire: HD-Numérique