Les électrons qui orbitent autour d’un noyau atomique occupent des formes distinctes qui décrivent la probabilité de trouver l’électron à n’importe quel point de l’espace. Dans un état quantique nouvellement découvert, ces orbitales s’alignent spontanément selon un motif périodique, offrant la preuve expérimentale la plus claire à ce jour d’un ordre orbital pur.
La découverte a été réalisée dans un composé intermétallique appelé Tb₂CoAl₄Ge₂ (terbium, cobalt, aluminium, germanium). Grâce à la spectroscopie de photoémission résolue en angle (ARPES), qui mesure l’énergie et la quantité de mouvement des électrons éjectés d’un matériau par la lumière ultraviolette, les chercheurs ont observé une empreinte caractéristique de structure de bande : les orbitales 5d des atomes de terbium à la surface s’étaient arrangées en un motif ordonné, brisant la symétrie de rotation du réseau cristallin.
Décrit comme un « état de brisure spontanée de symétrie », l’ordre orbital est l’un des concepts les plus insaisissables de la physique de la matière condensée.
Le troisième degré de liberté
En physique du solide, les électrons possèdent trois degrés de liberté fondamentaux : la charge, le spin et l’orbitale. L’ordre de charge, la modulation périodique de la densité électronique, est responsable de phénomènes tels que les ondes de densité de charge. L’ordre de spin produit le magnétisme, le ferromagnétisme, l’antiferromagnétisme et l’altermagnétisme récemment reconnu. L’ordre orbital, le troisième volet, a été beaucoup plus difficile à isoler.
La difficulté provient de l’intrication. Dans la plupart des matériaux, l’ordre orbital est étroitement couplé aux distorsions du réseau, aux arrangements de spin et aux modulations de charge. Lorsqu’une orbitale s’ordonne, le réseau peut légèrement se distordre, un effet Jahn-Teller. Lorsque le réseau se déforme, il peut pousser les spins vers un arrangement particulier. Le résultat est un « problème de l’œuf et de la poule », comme le notent les auteurs de l’article : il est souvent impossible de déterminer quel ordre entraîne l’autre.
Le composé Tb₂CoAl₄Ge₂ contourne ce problème. L’ordre orbital apparaît à la surface sans distorsion du réseau ni transition magnétique, ce qui en fait un rare exemple d’ordre orbital quasi-pur pouvant être étudié isolément.
Pourquoi c’est important
L’ordre orbital a été théoriquement impliqué dans certains des phénomènes les plus intrigants de la physique de la matière condensée. Dans les manganites, des composés d’oxyde de manganèse qui présentent une magnétorésistance colossale, l’ordre orbital jouerait un rôle fondamental dans la formation du diagramme de phase. Dans les supraconducteurs à haute température à base de fer, l’ordre orbital a été proposé comme moteur de la phase nématique, un état dans lequel les propriétés électroniques du matériau deviennent dépendantes de la direction sans aucun changement structurel visible.
Jusqu’à présent, ces liens restaient théoriques car l’ordre orbital ne pouvait être séparé des effets de réseau et de spin qui l’accompagnent. La surface du Tb₂CoAl₄Ge₂ fournit une plateforme expérimentale propre qui pourrait permettre aux chercheurs de tester les prédictions sur la physique orbitale de manière isolée.
Une fenêtre sur l’ordre caché
La découverte démontre également une avancée méthodologique. L’ARPES est utilisée depuis des décennies pour étudier les structures de bandes électroniques, mais l’ordre orbital laisse une signature distinctive dans le spectre ARPES, une séparation des bandes électroniques qui reflète la brisure de symétrie de la configuration orbitale. Les chercheurs ont analysé cette séparation de bandes pour extraire le motif d’alignement orbital.
Les orbitales 5d du terbium, des orbitales de couche externe relativement diffuses, se sont révélées être le bon endroit où regarder. Leur étendue spatiale les rend sensibles à l’environnement électronique local, et leur position à la surface du cristal les rend accessibles à l’ARPES sans interférence du volume.
La découverte ouvre un nouveau chapitre dans l’étude des matériaux quantiques. Si l’ordre orbital peut être isolé, il peut être manipulé, et s’il peut être manipulé, il pourrait éventuellement être intégré dans des matériaux conçus pour l’exploiter, ajoutant potentiellement la physique orbitale à la boîte à outils de la conception de dispositifs quantiques.
Traduit par Lydie
Cet article est disponible sous la licence Creative Commons Attribution 4.0 International. Résumé du rapport original publié dans Nature Physics.