Les matériaux quantiques, régis par les principes de la mécanique quantique, peuvent présenter des comportements exotiques tels que la supraconductivité. Pour obtenir les meilleures performances, ces matériaux doivent être correctement réglés. Une équipe dirigée par Mingda Li, professeur agrégé au MIT, a développé une nouvelle méthode ultra-précise de modification des caractéristiques des matériaux quantiques en utilisant les semi-métaux de Weyl comme exemple.
Cette technique n’est pas limitée aux semi-métaux de Weyl et peut être appliquée à tout matériau inorganique en vrac ou film mince. L’expérience a été réalisée sur un cristal de phosphure de tantale, un type spécifique de semi-métal de Weyl. Les semi-métaux de Weyl font partie des matériaux topologiques qui présentent des propriétés électroniques uniques, notamment des nœuds de Weyl conférant des propriétés électriques inhabituelles.
Pour ajuster le niveau de Fermi du semi-métal de Weyl, l’équipe a utilisé des ions hydrogène négatifs pour dopage. Ce processus consiste à introduire des particules étrangères dans le cristal pour modifier ses propriétés. L’objectif était d’ajuster le niveau de Fermi pour qu’il correspondre au niveau d’énergie des nœuds de Weyl et ainsi obtenir les propriétés quantiques souhaitées.
Pour atteindre la précision nécessaire, les chercheurs ont utilisé un accélérateur d’ions à deux étages du MIT pour bombarder l’échantillon de TaP avec des ions hydrogène à haute énergie. Cette méthode permet un réglage précis du niveau de Fermi avec une précision de l’ordre du milliélectron-volt. Les faisceaux à haute énergie permettent également de dopage des cristaux massifs, dépassant les limites des films minces.
En résumé, cette nouvelle méthode de réglage des matériaux quantiques en utilisant les semi-métaux de Weyl comme exemple, montre comment ajuster le niveau de Fermi pour obtenir les propriétés souhaitées avec une précision extrême. Cette technique ouvre de nouvelles perspectives pour la manipulation des matériaux quantiques et leur application dans divers domaines de la science et de la technologie. Mesurer le niveau de Fermi d’un échantillon dans une chambre d’accélérateur peut poser des défis. La méthode habituelle consiste à irradier l’échantillon pendant un certain temps, le retirer pour le mesurer, puis le remettre si le niveau de Fermi n’est pas optimal, mais cette approche peut s’avérer difficile à mettre en œuvre, selon Mandal.
Pour simplifier le processus, l’équipe a développé un modèle théorique prédictif qui permet d’estimer la quantité d’électrons nécessaires pour atteindre le niveau de Fermi souhaité, puis de traduire cela en un nombre d’ions hydrogène négatifs à ajouter à l’échantillon. Ce modèle peut ensuite indiquer la durée pendant laquelle l’échantillon doit être conservé dans la chambre d’accélérateur.
La particularité de ce modèle est sa simplicité et son efficacité, puisqu’il est en accord avec les modèles conventionnels plus complexes, tout en évitant le recours à un superordinateur. Les contributions de l’équipe sont doubles : l’élaboration d’une nouvelle technique de dopage basée sur un accélérateur et la mise en place d’un modèle théorique pour guider l’expérience, en indiquant la quantité d’hydrogène à ajouter en fonction de divers paramètres.
Cette approche pourrait représenter une avancée majeure, en permettant d’ajuster rapidement le niveau de Fermi d’un échantillon, une tâche qui, par les méthodes traditionnelles, pouvait prendre des semaines sans garantir un niveau de précision au milli-eV requis. Cette précision dans le réglage du niveau de Fermi pourrait avoir un impact significatif dans divers domaines, notamment les matériaux quantiques, où le positionnement du niveau de Fermi est crucial pour observer certains effets. Par exemple, un niveau de Fermi bien ajusté peut augmenter la température critique à laquelle un matériau devient supraconducteur ou améliorer l’efficacité des matériaux thermoélectriques. Ce réglage précis pourrait également jouer un rôle clé dans le domaine de l’informatique quantique.
Thomas Zac Ward, scientifique principal au Laboratoire national d’Oak Ridge, souligne l’importance de cette avancée pour l’exploration des comportements critiques des matériaux émergents. Contrôler avec précision le niveau de Fermi des matériaux topologiques ouvre de nouvelles perspectives pour le développement de nouvelles architectures d’informations quantiques et de dispositifs microélectroniques.
En savoir plus : https://news.mit.edu/2024/new-approach-fine-tuning-quantum-materials-0812
