L'arrangement des atomes au sein d'un matériau dicte fondamentalement le comportement des électrons et les états électroniques résultants. Les réseaux kagome, caractérisés par des motifs répétitifs de triangles partageant des sommets avec des espaces hexagonaux entre eux, sont théoriquement liés à l'émergence de propriétés électroniques inhabituelles. Bien que ces structures aient été largement étudiées en théorie, la plupart des matériaux kagome existants sont tridimensionnels, où les interactions entre les couches obscurcissent souvent la physique sous-jacente.
Une équipe dirigée par Mingu Kang de l'Université nationale de Séoul et du Centre pour les phases complexes des matériaux a maintenant réalisé un système kagome monocouche idéal, appelé « kagomène ». Publié dans Nature Physics, leur recherche détaille un nouveau matériau van der Waals avec la formule chimique A2T3X4. Ce matériau ultramince permet aux chercheurs d'isoler des bandes électroniques plates, où les électrons se comportent comme s'ils avaient une masse effective extrêmement élevée, au sein d'une seule couche atomique.
Pour identifier ce matériau, les chercheurs ont mené un criblage systématique à haut débit d'une base de données contenant environ 183 000 matériaux. Ils ont identifié environ 5 300 candidats présentant des structures de réseau kagome et les ont ensuite filtrés pour trouver ceux maintenus ensemble par des forces faibles adaptées à l'exfoliation mécanique. Après avoir effectué des calculs de théorie de la fonctionnelle de la densité et synthétisé les candidats les plus prometteurs, ils ont réussi à produire des couches atomiquement minces.
En utilisant la nano-ARPES, une technique qui mesure les électrons libérés par un faisceau lumineux focalisé, l'équipe a cartographié les états électroniques dans ces échantillons. Ils ont confirmé la présence d'états de bandes plates électroniques près du niveau de Fermi. Kang a noté que ce système basé sur le kagome 2D atteint une densité électronique de bande plate plus de deux ordres de grandeur supérieure à celle des systèmes existants basés sur des super-réseaux moiré. Cette augmentation significative est attribuée au fait que l'état de bande plate émerge intrinsèquement de la géométrie unique du réseau plutôt que de dépendre de grands super-réseaux artificiels.
La découverte offre une plateforme prometteuse pour explorer des phénomènes quantiques exotiques, y compris la supraconductivité non conventionnelle et les états quantiques fractionnaires. Les calculs à N corps suggèrent que l'effet Hall quantique anormal fractionnaire dans ce réseau kagome 2D pourrait émerger à des échelles d'énergie ou de température un ordre de grandeur plus élevé que celles observées dans les super-réseaux moiré actuels. Plus précisément, l'échelle prédite se situe entre 14 et 29 meV, par rapport à 1–5 meV dans les plateformes existantes.
Pour l'avenir, l'équipe prévoit de développer des dispositifs électriquement réglables basés sur ces réseaux kagome 2D. Ils visent à étudier si les interactions électroniques fortes au sein de la bande plate peuvent générer de nouveaux états quantiques tels que le magnétisme ou des états topologiques fractionnaires à des températures beaucoup plus élevées. Cette première véritable plateforme kagome 2D ouvre également de nouvelles directions de recherche, notamment la fabrication d'hétérostructures van der Waals et de superstructures moiré basées sur ces réseaux.
Sources: Phys.org.