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Pas de quasiparticules superficielles dans un métal corrélé !


Pas de quasiparticules superficielles dans un métal corrélé !

Dans les matériaux conventionnels comme les semi-conducteurs à base de silicium, la propriété de conduire ou non le courant électrique peut être comprise à partir de modèles simples comme la théorie des bandes qui prévoit que les niveaux électroniques discrets des atomes se couplent pour former des bandes dont l’écart en énergie fixera si un matériau est un isolant ou un conducteur.

 

Image idéalisée du pic de quasiparticules au voisinage d'une surface.

 

Figure 1 : Image idéalisée du pic de quasiparticules au voisinage d’une surface.

 

Dans certains matériaux, les effets de délocalisation ne dominent plus la structure électronique et il faut prendre en compte la manière avec lesquels les électrons interagissent les uns avec les autres. On parle alors de matériaux présentant de fortes corrélations électroniques. Une caractéristique remarquable de certains matériaux fortement corrélés - les composés de Mott-Hubbard - est l’existence d’une transition métal-isolant non prévue par la théorie des bandes. Parmi les composés Mott-Hubbard connus, on trouve les supraconducteurs à haute température critique et les oxydes à magnétorésistivité géante.

Des modèles théoriques avancés prédisent que les corrélations électroniques dans V2O3 (un archétype de composé de Mott) forment des quasiparticules de grande masse effective proche du niveau de Fermi. Quand la température change et que le matériau devient isolant, ces quasiparticules disparaissent.

 

Structure électronique de V2O3 proche du niveau de Fermi mesurée par ARPES en utilisant des photons de 9 eV. Le pic de quasiparticule est visible à -0.2 eV.

 

Figure 2 : Structure électronique de V2O3 proche du niveau de Fermi mesurée par ARPES en utilisant des photons de 9 eV. Le pic de quasiparticule est visible à -0.2 eV.

 

Une équipe internationale d’expérimentateurs comprenant plusieurs chercheurs du Laboratoire de Physique des Solides a étudié ces quasiparticules grâce à la spectroscopie de photoémission résolue en angle (ARPES) [1]. Grâce à la basse énergie des photons utilisés, ils ont pu mesurer à la fois le vecteur d’onde de ces quasiparticules et leur disparition au voisinage d’une surface. Dans ces matériaux il existe ainsi une couche « morte » de 5 à 10 nm au voisinage de la surface, soit bien plus que l’épaisseur de l’interface. Parallèlement des calculs théoriques ont suggérés que cette échelle soit une échelle intrinsèque du matériau [2].

 

Atténuation du pic de quasiparticules à la surface. L'atténuation plus faible à 400 K correspond à un élargissement de la "zone morte" proche de l'instabilité de Mott.

 

Figure 3 : Atténuation du pic de quasiparticules à la surface. L’atténuation plus faible à 400 K correspond à un élargissement de la "zone morte" proche de l’instabilité de Mott.

 

Ces résultats montrent que les expériences d’ARPES à très faible énergie - comme c’est le cas des expériences récentes utilisant des sources d’excitation laser - sont une approche très prometteuse pour comprendre les détails complexes de la structure électronique des matériaux fortement corrélés [3].

 

References :

[1] F. Rodolakis, B. Mansart, E. Papalazarou et al., Phys. Rev. Lett. 102, 066805 (2009)

[2] G. Borghi, M. Fabrizio and E. Tosatti, Phys. Rev. Lett 102, 066806 (2009)

[3] “Insulating behavior is only skin deep”, Physics, Synopsis February 17, 2009

http://physics.aps.org/synopsis-for/10.1103/PhysRevLett.102.066805