Coexisting Kondo and Weyl-like transport in kagome heavy-fermion metal, Yb$_y$Co$_3$G$e_{3-x}$Sn$_x$

Dans le monde des solides, les électrons se comportent généralement comme une foule de personnes circulant dans une rue animée. Parfois, ils se déplacent librement et rapidement, comme une légère brise. D'autres fois, ils sont bloqués ou ralentis par des interactions avec leurs voisins, devenant lourds et léthargiques. Les scientifiques savent depuis longtemps comment créer des matériaux où les électrons agissent comme des particules lourdes, un phénomène piloté par de fortes forces internes qui les alourdissent efficacement. Ils ont également découvert des matériaux où les électrons se comportent comme s'ils n'avaient aucune masse, filant à travers la structure cristalline avec la vitesse et la légèreté de particules dans le vide. Ces deux comportements — être lourd et être sans masse — appartiennent généralement à des familles de matériaux différentes. Le défi pour les physiciens a été de trouver une substance unique où ces deux comportements existent simultanément, leur permettant d'étudier comment ces forces opposées interagissent au sein d'un même objet solide.

Une équipe de chercheurs a maintenant trouvé un tel matériau. En faisant croître des cristaux d'un composé spécifique contenant de l'ytterbium, du cobalt, du germanium et de l'étain, ils ont découvert un métal où les électrons peuvent être à la fois lourds et sans masse simultanément. Le matériau, une variante d'un métal de kagome, agit comme un laboratoire unique où deux types distincts de trafic électronique circulent côte à côte sans fusionner en un flux unique et indiscernable. Les chercheurs ont découvert que si certains électrons deviennent lourds en raison d'interactions magnétiques, d'autres restent légers et sans masse, répondant aux champs magnétiques d'une manière qui suggère qu'ils suivent un ensemble de règles physiques différent. Cette découverte offre une nouvelle façon de contrôler la manière dont l'électricité circule dans un matériau, permettant potentiellement aux scientifiques de basculer entre les comportements lourds et légers sans avoir besoin de modifier la composition chimique du matériau ou d'appliquer un réglage externe.

L'histoire commence avec le cristal lui-même. Les chercheurs ont fait croître de fines aiguilles hexagonales d'un matériau appelé Yb$_y$Co$_3$Ge$_{3-x}$Sn$_x$. À l'intérieur de ces aiguilles, les atomes de cobalt forment un motif géométrique spécifique connu sous le nom de réseau kagome, nommé d'après un motif de panier tissé japonais traditionnel. Cet arrangement est célèbre pour créer des états électroniques inhabituels. Dispersés au sein de ce réseau de cobalt se trouvent des atomes d'ytterbium, un élément de terres rares. La quantité d'ytterbium dans le cristal a été soigneusement ajustée, les meilleurs échantillons contenant entre 19 et 48 pour cent des sites disponibles remplis. Les chercheurs ont fait croître ces cristaux en utilisant un bain d'étain fondu, une méthode qui leur a permis de contrôler le désordre et l'arrangement spécifique des atomes avec une grande précision.

Lorsqu'ils ont refroidi ces cristaux à des températures très basses, les électrons ont commencé à montrer des signes de lourdeur. À mesure que la température descendait en dessous d'environ 25 Kelvin, la résistance électrique du matériau a commencé à augmenter, un signe classique que les électrons interagissaient fortement avec les moments magnétiques des atomes d'ytterbium. C'est ce qu'on appelle l'effet Kondo, où les électrons traînent efficacement un nuage lourd d'influence magnétique avec eux lors de leur déplacement. À mesure que la température chutait encore davantage, la résistance a atteint un pic puis a commencé à chuter brusquement. Cette chute signalait que les électrons lourds s'étaient organisés en un état cohérent, se déplaçant à l'unisson à travers toute la structure cristalline. Les chercheurs ont mesuré la capacité thermique du matériau et ont constaté que les électrons étaient effectivement extrêmement lourds, avec une augmentation de masse qui place ce matériau fermement dans la catégorie des métaux à fermions lourds.

Cependant, l'histoire ne s'arrêtait pas aux électrons lourds. Lorsque les chercheurs ont appliqué un champ magnétique intense le long de la longueur de l'aiguille de cristal, parallèlement au flux d'électricité, quelque chose d'inattendu s'est produit. Dans un métal à fermions lourds typique, la résistance électrique finirait par cesser de changer à mesure que le champ magnétique s'intensifie, atteignant un point de saturation. Mais dans ce matériau, la résistance a continué de chuter, devenant plus négative à mesure que le champ magnétique augmentait, jusqu'à un énorme 32 Tesla. Ce comportement ne correspondait pas au modèle standard pour les électrons lourds. Il correspondait plutôt à une signature associée aux particules sans masse appelées fermions de Weyl. Dans ces systèmes, lorsqu'un champ électrique et un champ magnétique sont alignés, un effet quantique connu sous le nom d'anomalie chirale permet aux électrons de circuler avec moins de résistance, créant une magnétorésistance négative qui croît avec le carré de l'intensité du champ magnétique.

Pour comprendre comment les deux comportements pouvaient exister dans le même cristal, les chercheurs ont étudié la structure électronique à l'aide d'une technique appelée spectroscopie de photoémission résolue en angle. Cette méthode leur a permis de cartographier les niveaux d'énergie des électrons à l'intérieur du matériau. Ils ont trouvé deux types distincts de bandes électroniques. Un ensemble de bandes était plat, ce qui signifie que les électrons dans ces états ne se déplaçaient pas facilement et étaient responsables du comportement de fermion lourd. L'autre ensemble de bandes était dispersif, ce qui signifie que les électrons pouvaient circuler librement et rapidement, se comportant comme les particules sans masse associées aux matériaux topologiques. Les calculs théoriques ont confirmé que les bandes plates provenaient des atomes d'ytterbium, tandis que les bandes dispersives émanaient du réseau de kagome de cobalt.

La découverte clé est que ces deux groupes d'électrons, bien qu'habitant le même cristal, gardaient largement leurs propres voies. Les électrons lourds, pilotés par les atomes d'ytterbium, suivaient les règles de l'effet Kondo, adaptant leur comportement de manière à correspondre à un ion magnétique unique. Pendant ce temps, les électrons sans masse, circulant à travers le réseau de cobalt, répondaient au champ magnétique par l'anomalie chirale. Les chercheurs ont testé si les électrons lourds pouvaient être la source du comportement sans masse, mais les données ont écarté cette possibilité. Les électrons lourds saturaient leur réponse à des champs plus faibles, tandis que le signal sans masse continuait de croître. Ils ont également écarté d'autres explications courantes, telles que le désordre dans le cristal ou de simples effets de diffusion, qui ne pouvaient rendre compte de la manière spécifique dont la résistance changeait avec le champ magnétique.

Cette séparation des comportements suggère une nouvelle image de la façon dont les fortes corrélations et la topologie peuvent coexister. Dans certaines théories antérieures, on pensait que l'effet de fermion lourd créait les états sans masse, ou les supprimait entièrement à basses températures. Ici, les deux effets semblent être indépendants, émanant de différentes parties de la structure électronique. Les atomes d'ytterbium fournissent les électrons lourds et corrélés, tandis que le réseau de cobalt fournit les électrons topologiques et sans masse. Comme ces deux types d'électrons sont distincts, ils peuvent être observés et mesurés séparément au sein du même matériau massif. Cela signifie que les scientifiques n'ont pas besoin de régler la composition chimique du matériau ou de changer son niveau de Fermi pour accéder à l'un ou l'autre comportement ; les deux sont naturellement présents et actifs.

Les implications de cette découverte s'étendent au-delà de la simple compréhension d'un seul matériau. Elle démontre qu'il est possible d'élaborer un solide où différents états électroniques conservent leurs identités uniques même en présence de fortes interactions. Cela ouvre la voie à un accès sélectif aux réponses corrélées et topologiques au sein d'un même dispositif. En comprenant comment ces deux états distincts coexistent, les chercheurs pourraient éventuellement concevoir des matériaux où ils pourraient basculer entre des modes de conduction lourds et légers, ou utiliser un type d'électron pour contrôler l'autre. Ce travail confirme que le réseau de kagome est un terrain fertile pour une telle physique, offrant une plateforme où la danse complexe des électrons peut être démêlée en ses parties constituantes, révélant un monde où les électrons peuvent être à la fois lourds et légers.