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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 (Un matériau est une matière d'origine naturelle ou artificielle que l'homme façonne pour en faire des objets. C'est donc une matière de base sélectionnée en raison de...) 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 (La densité ou densité relative d'un corps est le rapport de sa masse volumique à la masse volumique d'un corps pris comme référence. Le corps de référence est...) 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 (Un métal est un élément chimique qui peut perdre des électrons pour former des cations et former des liaisons métalliques ainsi que des liaisons ioniques dans le cas des métaux alcalins. Les...) 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 conductivité électrique est l'aptitude d'un matériau à laisser les charges électriques se déplacer librement, autrement dit à permettre le passage du courant 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 température est une grandeur physique mesurée à l'aide d'un thermomètre et étudiée en thermométrie. Dans la vie courante, elle est reliée aux sensations de froid et de chaud, provenant...), 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 (Un paramètre est au sens large un élément d'information à prendre en compte pour prendre une décision ou pour effectuer un calcul.) 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...) 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 élémentaires.) SOLEIL (Le Soleil (Sol en latin, Helios ou Ήλιος en grec) est l'étoile centrale du système solaire. Dans la classification...) 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 « light amplification by...) 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 (Un réseau informatique est un ensemble d'équipements reliés entre eux pour échanger des informations. Par analogie avec un filet (un réseau est un « petit rets », c'est-à-dire un petit filet), on appelle nœud (node)...) 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 (Bien que le concept de phase soit simple, il est difficile de le définir précisément. Une bonne définition de la phase d'un système est « une région de...) 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...) 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 (La lumière est l'ensemble des ondes électromagnétiques visibles par l'œil humain, c'est-à-dire comprises dans des longueurs d'onde de 380nm (violet) à 780nm (rouge). La...) femtoseconde et l'existence d'états photo-excités particuliers rend les matériaux (Un matériau est une matière d'origine naturelle ou artificielle que l'homme façonne pour en faire des objets.) 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 les différents quartiers, s'inscrivant de ce fait dans un...), 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