Vers une nouvelle génération de matériaux à électrons lourds sans terres rares

Nicoletta Barolini for Columbia University. Vue d'artiste du mouvement d’un électron dans un matériau à fermions lourds : en raison d’interactions électroniques intenses dans certaines orbitales atomiques, les électrons se comportent comme s’ils étaient beaucoup plus massifs, ce qui ralentit leur déplacement à travers la matière. Nicoletta Barolini for Columbia University.

Les matériaux à fermions lourds, découverts il y a une cinquantaine d’années, sont des composés métalliques où les électrons se comportent comme s’ils possédaient une masse effective bien supérieure à celle des électrons libres. Ces matériaux sont essentiels pour l’étude des systèmes électroniques fortement corrélés et de la supraconductivité non conventionnelle, avec des applications potentielles dans diverses technologies quantiques. Traditionnellement, la réalisation de tels matériaux nécessite l’utilisation d’éléments des terres rares ou des actinides, souvent rares, radioactifs ou difficiles à extraire. Cependant, une équipe de chercheurs, dirigée par Luca de’ Medici du Laboratoire de Physique et d’Étude des Matériaux (LPEM) de l’ESPCI Paris – PSL a proposé et testé une méthode innovante pour produire des matériaux à fermions lourds sans recourir à ces éléments problématiques.

La stratégie des chercheurs repose sur deux étapes clés. Premièrement, sélectionner un composé métallique classé comme métal de Hund, caractérisé par des interactions électroniques fortes dans des orbitales atomiques partiellement remplies. Deuxièmement, substituer certains atomes métalliques par d’autres jusqu’à ce que les bandes de conduction du matériau soient presque à moitié remplies en électrons. À ce stade, les électrons dans certaines orbitales atomiques interagissent fortement entre eux, ce qui ralentit leur mouvement et les fait apparaître comme "lourds". Ce comportement imite celui des électrons dans les matériaux à fermions lourds contenant des terres rares ou des actinides.

Pour démontrer leur technique, l’équipe a choisi un métal de Hund composé de césium, de fer et d’arsenic, puis a remplacé une partie des atomes de fer par des atomes de chrome. Les mesures de résistivité, de susceptibilité magnétique et de dilatation thermique, effectuées par des collaborateurs au Karlsruhe Institute of Technology, ont révélé un comportement de plus en plus prononcé d’électrons lourds au fur et à mesure que le matériau est dopé. Ces résultats expérimentaux confirment la validité de leur approche et ouvrent la voie à la création d’autres matériaux à fermions lourds sans utilisation de terres rares ou actinides.

Cette avancée représente aussi une étape significative vers la conception de nouveaux matériaux quantiques plus accessibles et respectueux de l’environnement. En éliminant la dépendance aux éléments problématiques, cette méthode pourrait faciliter le développement de technologies basées sur les propriétés uniques des fermions lourds, telles que des dispositifs électroniques avancés et des applications en informatique quantique. Les prochaines étapes consisteront à appliquer cette stratégie à une gamme plus large de matériaux et à explorer leurs propriétés potentielles pour diverses applications technologiques.

– 
Références :
Paradigm for Finding d-Electron Heavy Fermions : The Case of Cr-doped CsFe2As2, Matteo Crispino, Pablo Villar Arribi, Anmol Shukla, Frédéric Hardy, Amir-Abbas Haghighirad, Thomas Wolf, Rolf Heid, Michael Merz, Christoph Meingast, Tommaso Gorni, Adolfo Avella, and Luca de’ Medici, Phys. Rev. Lett. 134, (2025)

Editor suggestion APS : https://physics.aps.org/articles/v18/s15

Contact :
Communication scientifique de l’ESPCI Paris : Paul Turpault