Des chercheurs à BESSY II ont vérifié expérimentalement que des chaînes de phosphore auto-assemblées sur une surface d'argent présentent de véritables propriétés électroniques unidimensionnelles. En séparant les signaux des chaînes alignées dans différentes directions, l'équipe a révélé la structure électronique unidimensionnelle distincte de chaque chaîne. Les résultats suggèrent qu'augmenter la densité des chaînes pourrait transformer le matériau d'un comportement semi-conducteur à métallique.
Des chercheurs à BESSY II, une installation de rayonnement synchrotron, ont confirmé pour la première fois expérimentalement que de courtes chaînes d'atomes de phosphore peuvent héberger un comportement électronique véritablement unidimensionnel. Ces chaînes s'auto-assemblent sur un substrat d'argent dans des conditions contrôlées, formant des lignes droites dans trois directions distinctes séparées par des angles de 120 degrés. Bien que les chaînes paraissent structurellement unidimensionnelles, les interactions latérales potentielles entre chaînes voisines avaient auparavant soulevé des questions sur leurs propriétés électroniques. Pour enquêter, le Dr Andrei Varykhalov et ses collègues ont utilisé un microscope à effet tunnel à balayage cryogénique pour créer et imager les chaînes de phosphore. Ils ont ensuite employé la spectroscopie photoélectronique résolue en angle (ARPES) à BESSY II pour cartographier la structure électronique. «Nous avons obtenu des résultats de très haute qualité, nous permettant d'observer des ondes stationnaires d'électrons se formant entre les chaînes», dit Varykhalov. En démêlant soigneusement les signaux des trois domaines de chaînes orientés différemment, le Dr Maxim Krivenkov et le Dr Maryam Sajedi ont isolé la signature électronique de chaque chaîne. Cette analyse a démontré que les électrons sont confinés dans une seule dimension au sein de chaînes individuelles. «À travers une évaluation très approfondie des mesures à BESSY II, nous avons maintenant montré que de telles chaînes de phosphore possèdent vraiment une structure électronique unidimensionnelle», dit le professeur Oliver Rader, chef du département Spin et Topologie dans les Matériaux Quantiques à HZB. De plus, «Nous avons pu démêler les signaux ARPES de ces domaines et ainsi démontrer que ces chaînes de phosphore 1D possèdent réellement une structure électronique 1D très distincte», ajoute Krivenkov. Les calculs de théorie de la fonctionnelle de densité soutiennent ces résultats et prédisent une transition de phase : lorsque les chaînes sont plus espacées, le matériau se comporte comme un semi-conducteur, mais un emballage plus serré dans un réseau bidimensionnel le rendrait métallique. L'étude ouvre de nouvelles voies en science des matériaux, en particulier pour les structures unidimensionnelles dérivées de matériaux bidimensionnels comme le phosphorène. «Nous sommes entrés dans un nouveau domaine de recherche ici, un territoire inexploré où de nombreuses découvertes passionnantes sont susceptibles d'être faites», dit Varykhalov. La recherche paraît dans Small Structures (2025 ; 6(12)), DOI : 10.1002/sstr.202500458.