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Des états transitoires de la matière, entre métal et isolant


Tous les matériaux sont faits d’un arrangement d’atomes ionisés, ou ions, à la charge électrique positive, et d’électrons chargés négativement. Par des effets d’écrantage de la charge, les électrons s’adaptent au mouvement des ions et des autres électrons. Les électrons dans un matériau métallique ordinaire n’entrent guère en interaction entre eux. Les « mauvais métaux » sont caractérisés par une densité nettement plus faible d’électrons libres de se mouvoir : les interactions entre électrons – par l’intervention de la force de Coulomb – sont alors plus importantes. Les électrons se « sentent » et leur comportement devient « corrélé ». Les corrélations électroniques peuvent, dans certains cas, atteindre un niveau tel que le métal transite vers un isolant, dit « de Mott-Hubbard ». À la différence d’un isolant « de bande », dans lequel il n’y a simplement pas d’électrons libres disponibles pour assurer la conductivité électrique, la résistivité électrique d’un isolant de Mott Hubbard devient très grande parce que les électrons sont « localisés » par leur répulsion mutuelle. La transition de Mott-Hubbard peut intervenir en changeant la température, la pression, ou un autre paramètre environnemental.

Une équipe de chercheurs du Laboratoire de Physique des Solides, de l’Ecole Supérieure d’Etudes Avancées de Trieste en Italie, du Laboratoire d’Optique Appliquée, du Laboratoire des Solides Irradiés, du synchrotron SOLEIL et des Universités Américaines de Berkeley et Stanford a étudié ce qui se passe lorsque l’on excite les électrons dans un isolant de Mott-Hubbard archétype, le sesquioxide de vanadium (V2O3) avec des impulsions laser très brèves - d’une durée d’une femtoseconde (un millionième de milliardième de seconde). Ces impulsions ultra-brèves permettent de « chauffer » les électrons tandis que le réseau d’ions reste « froid ». Des expériences proches de la température où le V2O3 transite d’un état métallique vers l’isolant de Mott-Hubbard ont montré un durcissement surprenant du réseau d’ions, pendant le temps où les électrons sont dans l’état photo-excité. Cet état est une troisième phase, ni métal, ni isolant de Mott Hubbard, dont la durée de vie n’est que de quelques picosecondes. Le nouvel état de la matière est une phase transitoire qui joue un rôle important dans le processus de relaxation du système hors équilibre, et qui n’est pas accessible ordinairement en modifiant la température ou la pression. La résolution temporelle nécessaire pour cette étude est obtenue grâce à l’utilisation d’impulsions lumineuses générées par des sources laser très récentes (durée d’impulsion de l’ordre de la femtoseconde), comme par exemple les impulsions de rayons X du laser à électrons libres LCLS de Stanford.

L’application d’impulsions de lumière femtoseconde et l’existence d’états photo-excités particuliers rend les matériaux de Mott très prometteurs pour la réalisation d’une nouvelle génération de commutateurs ultra-rapides, qui pourront atteindre des vitesses actuellement inaccessibles avec la technologie des composants électroniques basée sur les semi-conducteurs.

Figure : Techniques expérimentales de type pompe-sonde utilisées pour cette étude : diffraction des rayons X résolue en temps (trXRD), spectroscopie de photoémission résolue en temps (trPES) et réflectivité résolue en temps (TRR).

Référence

Ultrafast evolution and transient phases of a prototype out-of-equilibrium Mott-Hubbard material
G. Lantz, B. Mansart, D. Grieger, D. Boschetto, N. Nilforoushan, E. Papalazarou, N. Moisan, L. Perfetti, V. L. R. Jacques, D. Le Bolloch, C. Laulhe, S. Ravy, J.-P. Rue, T.E. Glover, M.P. Hertlein, Z. Hussain, S. Song, M. Chollet, M. Fabrizio & M. Marsi
Nature Communications 8, 13917 (2017)
DOI:10.1038/ncomms13917

Actualité de l’Institut de Physique

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Marino Marsi