Une transition insaisissable montre des signatures quantiques universelles

Il existe de grandes différences entre les métaux, à travers lesquels les électrons circulent librement, et les isolants électriques, dans lesquels les électrons sont essentiellement immobiles. Et malgré les difficultés évidentes à trouver un moyen de passer d’un métal à un isolant dans un matériau, les physiciens tentent de comprendre comment.

« Supposons que vous souhaitiez placer des milliards d’éléments de circuit sur une minuscule puce, puis contrôler, à cette échelle microscopique, si un seul des éléments est métallique ou isolant de manière contrôlée », a déclaré Debanjan Chowdhury, professeur adjoint de physique au Collège. des Arts et des Sciences (A&S). “Ce serait remarquable si vous pouviez contrôler l’appareil microscopique d’une simple pression sur un interrupteur.”

En fouillant dans les résultats expérimentaux passés récents pour essayer de concilier expérience et théorie, Chowdhury et le candidat au doctorat Sunghoon Kim ont découvert que même une infime quantité d’imperfection, inhérente à tout matériau réel, joue un rôle clé dans la révélation de la physique universelle associée à l’expérimental. transition métal-isolant. Comprendre la physique derrière cette mystérieuse transition de phase pourrait conduire à de nouveaux circuits microscopiques complexes, des supraconducteurs et des isolants exotiques qui pourraient être utilisés dans l’informatique quantique.

“Continuous Mott Transition in Moiré Semiconductors: Role of Long-Wavelength Inhomogeneities” a été publié le 9 février dans Lettres d’examen physique.

Dans un influent 2021 Nature papier, Les chercheurs de Cornell dirigés par Kin Fai Mak, professeur de physique (A&S), et Jie Shan, professeur de physique appliquée et d’ingénierie (ingénierie), ont démontré une transition entre un métal et un isolant dans un matériau. Une expérience simultanée menée par des chercheurs de l’Université de Columbia a rapporté des phénomènes similaires dans un matériau différent.

Les résultats expérimentaux, cependant, ne correspondaient pas à la théorie de longue date prédisant le comportement de la résistance électrique, a déclaré Chowdhury, co-auteur de l’article de 2021.

Les scientifiques ont utilisé diverses stratégies dans leur quête pour transformer un métal en isolant, a déclaré Chowdhury. L’une consiste à ajouter des impuretés au matériau, qui agissent comme des barrières et entravent le mouvement des électrons. Mais cette approche n’est pas très flexible, dit-il, il est plus facile de transformer le métal en isolant que l’inverse.

Une autre approche consiste à épuiser progressivement l’apport d’électrons dans le métal, presque comme “fermer un robinet”, a-t-il déclaré. Cela peut créer un isolant, mais généralement pas celui qui a des propriétés intéressantes, a déclaré Chowdhury.

“La véritable excitation avec l’expérience Cornell de 2021”, a déclaré Chowdhury, “est qu’ils ont compris comment transformer le métal en isolant sans ajouter d’impuretés au système ni modifier le nombre d’électrons.”

Mak et Shan ont utilisé un réseau moiré – une innovation récente dont ils sont les pionniers – pour créer un sandwich de deux couches 2D de matériaux semi-conducteurs, puis ont appliqué un champ électrique dans la direction perpendiculaire, pour basculer le matériau entre un métal et un isolant.

Une proposition de théorie en 2008 par Senthil Todadri du Massachusetts Institute of Technology a prédit qu’à mesure qu’un matériau approchait du point de transition du métal à l’isolant, la résistance du matériau augmenterait d’une quantité universelle, régie uniquement par les constantes fondamentales de la nature.

“L’expérience n’a pas révélé que cela était vrai dans la pratique”, a déclaré Chowdhury. “Pourtant, en même temps, l’expérience a révélé d’autres caractéristiques qui ont clairement démontré que la physique observée au cours de cette transition était universelle.”

En analysant l’expérience de 2021, Kim et Chowdhury ont gardé à l’esprit que la théorie de 2008 de Todadri, co-auteur de la présente étude, était basée sur un cristal parfait sans imperfections.

“Pour résoudre le puzzle”, a déclaré Chowdhury, “notre conjecture de départ était peut-être que ce n’est pas ainsi que la transition se manifeste réellement dans le vrai appareil. Les vrais appareils auront toujours quelques imperfections. Mais est-il possible que les imperfections aident à révéler l’universel et intéressant caractéristiques de la transition métal-isolant ? »

Comme les expérimentateurs ont modifié le champ électrique, il est probable que différentes parties du matériau aient subi la transition métal-isolant à différentes valeurs du champ électrique en raison d’un petit nombre d’imperfections inhérentes, a déclaré Chowdhury. Par conséquent, les électrons en circulation doivent trouver un chemin à travers ces “îlots” de régions isolantes, noyés dans une “mer” de métal.

Afin de tenir compte des observations expérimentales, les chercheurs ont conclu qu’il existe trois types de régions dans le matériau : métalliques, qui ont une faible résistance ; les isolants, qui ont une très grande résistance ; et métallique mais avec une grande résistance universelle régie uniquement par des constantes fondamentales de la nature. Relier les observations à une théorie aide à clarifier la nature possible de l’isolant résultant, qui pourrait avoir des propriétés fascinantes et utiles, a déclaré Chowdhury.

Il pourrait avoir l’étoffe d’un liquide de spin quantique, dans lequel la charge d’un électron est libérée de son spin, conduisant à un état où l’électron se fragmente efficacement en de nouveaux types d’excitations émergentes. Parce que cet état exotique pourrait coder toutes sortes d’informations dans les excitations non locales, il est considéré comme une étape clé vers l’informatique quantique.

“Nous connaissons théoriquement l’existence possible de liquides de spin quantique dans la nature”, a déclaré Chowdhury, “mais ces expériences nous rapprochent du rêve de les réaliser en laboratoire.”