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Répulsion électron-électron et forts effets relativistes au cœur des propriétés de l’état fondamental d’une monocouche atomique de Pb

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Dans un métal, l’interaction répulsive directe entre deux électrons (interaction Coulombienne) est écrantée par la présence des nombreux autres électrons. Lorsque la densité d’électrons diminue cette interaction répulsive entre électrons augmente. Si cette répulsion devient suffisamment forte, elle peut empêcher la formation d’un état métallique au profit d’un état isolant appelé isolant de Mott. Des travaux récents ont mis en lumière les propriétés étonnantes de ces matériaux caractérisés par de fortes corrélations électroniques. Des applications sont en cours de développement industriel, notamment pour la fabrication de mémoires non-volatiles, en utilisant les deux états métallique et isolant de Mott. Sur le plan théorique, modéliser les propriétés électroniques de ces matériaux représente un défi dû à la difficulté de modéliser les interactions fortes entre électrons. Cette difficulté est encore plus grande lorsqu’il s’agit d’un système de basse dimension fabriqué sur un substrat-support : le rôle des atomes du substrat doit également être considéré.

Dans ce contexte, des chercheurs de l’équipe « Spectroscopie des nouveaux états quantiques » ont étudié expérimentalement et théoriquement un matériau bidimensionnel constitué d’une couche atomique de plomb de faible densité déposée sur un substrat de silicium. Prédit comme étant très proche de la transition de Mott, ce système n’avait jamais été étudié à basse température. Grâce à une comparaison fine du spectre d’excitation électronique mesuré par STM avec celui calculé par une approche « ab initio », les chercheurs ont montré que dans ce matériau 2D, les corrélations électroniques ne sont pas assez fortes pour provoquer un état isolant mais altèrent significativement l’état métallique. Une conclusion importante est également que le couplage spin-orbite, dû à la masse atomique élevée du plomb, est un paramètre essentiel à prendre en compte pour la modélisation correcte des propriétés électroniques de ce système qui présente ainsi des états métalliques polarisés en spin.

La forme et la texturation en spin de ces états à l’énergie de Fermi ont été déterminées par une méthode dite d’interférence de quasiparticules. La surface de Fermi calculée (Fig1b) est formée de deux quasi-hexagones polarisés en spin, avec chacun une texturation en spin (hélicité) tournant dans un sens opposé. Cette polarisation hélicale en spin donne lieu à des processus sélectifs de diffusion électronique, induits par la présence d’impuretés non-magnétiques. Il y a des processus interbande caractérisés par les vecteurs d’onde qinter et les processus intrabande caractérisés par les vecteurs d’onde qintra (Fig1b). Les vecteurs d’onde joignant des spins parallèles donnent un fort signal tandis que les vecteurs d’onde joignant des spins opposés donnent un signal nul. Expérimentalement, ces processus ont été sondés par transformée de Fourier de cartes de conductance différentielle dI/dV(V=0,x,y). Le résultat expérimental Fig1c montre un bon accord avec la simulation Fig1d.

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Figure 1
a : Image topographique STM d’un domaine 3x3 de Pb/Si(111). b : Surface de Fermi calculée par fonctionnelle de la densité avec terme Coulombien (DFT+U) où la polarisation en spin est représentée par une petite flèche de couleur. c : Transformée de Fourier d’une carte de conductance dI/dV(E=EF,x,y). d : Calcul de ces processus à partir de la structure électronique obtenue en DFT+U.

En perspective à ces travaux, nous étudierons la nature du magnétisme local des phases Mott 2D existant dans les composés voisins. Elle reste débattue et largement inconnue à cause de l’extension spatiale importante de la répulsion Coulombienne.

Référence
C. Tresca, C. Brun, T. Bilgeri, G. Menard, V. Cherkez, R. Federicci, D. Longo, F. Debontridder, M. D’Angelo, D. Roditchev, G. Profeta, M. Calandra and T. Cren, Chiral Spin Texture in the Charge-Density-Wave Phase of the Correlated Metallic Pb/Si(111) Monolayer, Phys. Rev. Lett. 120, 196402 (2018)

Contacts

Christophe Brun, Tristan Cren