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Posté par Redbran le Lundi 04/09/2017 à 00:00
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 (Une interaction est un échange d'information, d'affects ou d'énergie entre deux agents au sein d'un système. C'est une action réciproque qui suppose l'entrée en contact de sujets.) 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 (Le mot force peut désigner un pouvoir mécanique sur les choses, et aussi, métaphoriquement, un pouvoir de la volonté ou encore une vertu morale...) 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 (Un isolant est un matériau qui permet d'empêcher les échanges d'énergie entre deux systèmes. On distingue : les isolants électriques, les isolants thermiques, les...), 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 (La pression est une notion physique fondamentale. On peut la voir comme une force rapportée à la surface sur laquelle elle s'applique.), ou un autre paramètre environnemental.

Une équipe de chercheurs du Laboratoire de Physique (La physique (du grec φυσις, la nature) est étymologiquement la « science de la nature ». Dans un sens général et ancien, la physique...) des Solides, de l’Ecole Supérieure d’Etudes Avancées de Trieste en Italie, du Laboratoire d’Optique (L'optique est la branche de la physique qui traite de la lumière, du rayonnement électromagnétique et de ses relations avec la vision.) Appliquée, du Laboratoire des Solides Irradiés, du synchrotron (Le terme synchrotron désigne un type de grand instrument destiné à l'accélération à haute énergie de particules...) SOLEIL (Le Soleil (Sol en latin, Helios ou Ήλιος en grec) est l'étoile centrale du système solaire. Dans la classification astronomique, c'est une étoile de type naine jaune, et...) 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 (Un laser est un appareil émettant de la lumière (rayonnement électromagnétique) amplifiée par émission stimulée. Le terme laser provient de l'acronyme anglo-américain...) 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 (Le froid est la sensation contraire du chaud, associé aux températures basses.) ». 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 (Le temps est un concept développé par l'être humain pour appréhender le changement dans le monde.) où les électrons sont dans l’état photo-excité. Cet état est une troisième phase (Le mot phase peut avoir plusieurs significations, il employé dans plusieurs domaines et principalement en physique :), ni métal, ni isolant de Mott Hubbard, dont la durée de vie (La vie est le nom donné :) n’est que de quelques picosecondes. Le nouvel état de la matière est une phase transitoire qui joue (La joue est la partie du visage qui recouvre la cavité buccale, fermée par les mâchoires. On appelle aussi joue le muscle qui sert principalement à ouvrir et fermer la bouche et...) 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.


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).

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 (Le mot technologie possède deux acceptions de fait :) des composants électroniques basée sur les semi-conducteurs.

Référence publication:
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 (La rue est un espace de circulation dans la ville qui dessert les logements et les lieux d'activité économique. Elle met en relation et structure...), 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

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Source: CNRS-INP
 
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