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L’équivalent en matière condensée de la transition liquide-gaz


Les propriétés électriques d’un solide peuvent montrer une transition entre un état « fluide » et conducteur à un état isolant où les électrons sont soudain localisés dans leurs sites. Les théories physiques ont prédit que cette transition est analogue a la transition liquide-gaz mais pendant plusieurs décennies, une réalisation expérimentale de celle-ci n’a pas pu être obtenue.

Dans les années 40, Mott a prédit que, en fonction de sa densité électronique, un matériel pourrait subir une transition dramatique entre un état métallique et un état isolant. Ceci est une conséquence de la compétition entre l’énergie potentielle associée à la répulsion coulombienne entre les électrons et leur énergie cinétique. Finalement, cette transition métal-isolant (TMI) fut reconnue comme la transition de Mott et correspond maintenant à l’exemple paradigmatique de la physique des électrons fortement corrèles. Pendant les années 90, des études théoriques sur le modèle de Hubbard ont montré que la transition de Mott dans le cas de systèmes magnétiques désordonnés devrait se produire tout au long d’une ligne de transition de phase du premier degré et devrait se finir a une température critique de second ordre, tout comme dans la transition liquide-gaz de l’eau.
Depuis, les physiciens on recherché un système réel qui représenterait la physique prédite par Mott.


Figure 1 : Structure électronique fortement couplée du GaTa4Se8, obtenue par des calculs LDA+DMFT (échelle de couleurs). Par rapport aux bandes LDA (en trait plein), on observe que la répulsion de Coulomb ouvre un gap de Mott à l’énergie de Fermi et transforme le système dans un isolant de Mott fortement corrélé. Dans le système expérimental, le gap peut être fermé par la pression externe.

 

Une équipe de chercheurs du LPS, de l’IMN (Nantes) et d’Argentine vient de montrer l’existence de ce système, le GeTa4Se8 (GTS) dans une publication à PRL. L’importance de la répulsion coulombienne par rapport à l’énergie cinétique peut être contrôlée en pratique par l’application d’une pression externe. Au fait, il a fallu des pressions de l’ordre du GPa (similaire a celle que l’on obtiendrait si un éléphant se tenait debout sur un chaussure à talon aiguille) et des températures en dessous des -200 ºC pour découvrir la TMI prédite par Mott.


Figure 2 : Résistivité en fonction de la température à 3.8 GPa. Les données ont été mesurées en refroidissant et en chauffant et montrent un saut du premier ordre très marqué. Encadré : Les courbes de transition métal-isolant pour différentes pressions couvrent plus de neuf ordres de grandeur en résistivité à basse température, alors qu’elles sont presque identiques au-dessus de 100 K.

 

Leurs résultats théoriques et expérimentaux ont démontré que le diagramme de phase du GTS est en excellent accord avec les prédictions théoriques de la transition de Mott. Ils ont retrouvé l’évidence prédite de l’existence d’une transition du premier ordre, mise en évidence par l’apparition d’une forte hystérèse de la dépendance de la résistance avec la température dans une certaine gamme de pressions.

 

Contact :
Marcelo Rozenberg

Référence :
First-Order Insulator-to-Metal Mott Transition in the Paramagnetic 3D System GaTa4Se8
A. Camjayi, C. Acha, R. Weht, M.G. Rodriguez, B. Corraze, E. Janod, L. Cario, and M.J. Rozenberg
Physical Review Letters 113, 086404 (2014).