Un effet physique inédit dans un nouveau matériau artificiel

Publié par Adrien le 24/08/2020 à 09:00
Source: Université de Genève
La découverte d'un effet physique inédit dans un nouveau matériau artificiel pose un jalon important dans le long processus de développement de matériaux "sur commande" et d'une électronique plus économe en énergie.


Image obtenue par microscopie électronique en transmission d'une alternance de cinq couches atomiques de nickelate au néodyme (Le néodyme est un élément chimique, de symbole Nd et de numéro atomique 60. C'est un métal gris argent du groupe des terres rares. Il fait partie de la famille des...) (en bleu) et de cinq couches de nickelate au samarium (Le samarium est un élément chimique, de symbole Sm et de numéro atomique 62.) (en jaune). © Bernard Mundet / EPFL.

L'électronique est omniprésente. Les transistors font fonctionner les téléphones, les ordinateurs, les télévisions, les chaînes hifi, les consoles de jeu, les voitures (Une automobile, ou voiture, est un véhicule terrestre se propulsant lui-même à l'aide d'un moteur. Ce véhicule est conçu pour le transport terrestre de personnes ou de marchandises, elle est équipée en conséquence. C'est un des...), les avions, etc. Basée sur le silicium (Le silicium est un élément chimique de la famille des cristallogènes, de symbole Si et de numéro atomique 14.), l'électronique actuelle consomme toutefois une part conséquente et sans cesse croissante de l'énergie (Dans le sens commun l'énergie désigne tout ce qui permet d'effectuer un travail, fabriquer de la chaleur, de la lumière, de produire un mouvement.) mondiale. De nombreux chercheurs explorent les propriétés de matériaux (Un matériau est une matière d'origine naturelle ou artificielle que l'homme façonne pour en faire des objets.) plus complexes que le silicium mais prometteurs pour les dispositifs du futur et moins gourmands en électricité (L’électricité est un phénomène physique dû aux différentes charges électriques de la matière, se manifestant par une énergie. L'électricité désigne également la branche de la physique qui étudie les phénomènes électriques...). S'inscrivant dans cette logique (La logique (du grec logikê, dérivé de logos (λόγος), terme inventé par Xénocrate signifiant à la fois raison, langage, et raisonnement) est dans une...), des scientifiques de l'Université de Genève (L'université de Genève (UNIGE) est l'université publique du canton de Genève en Suisse. Fondée en 1559 par Jean Calvin, sous le nom d'Académie de Genève, comme un séminaire théologique et...) (UNIGE), en collaboration avec l'École polytechnique fédérale de Lausanne (EPFL), l'Université (Une université est un établissement d'enseignement supérieur dont l'objectif est la production du savoir (recherche), sa conservation et sa transmission (études...) de Zurich, le Flatiron Institute de New York (New York , en anglais New York City (officiellement, City of New York) pour la distinguer de l’État de New York, est la principale ville des États-Unis, elle compte a elle...) et l'Université de Liège (L’Université de Liège est une université de Belgique située à Liège. C’est une université publique et pluraliste. Elle comportait 8 facultés. Celles-ci ont...), ont découvert, 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...) artificiel constitué de couches très minces de "nickelates", un phénomène physique (La physique (du grec φυσις, la nature) est étymologiquement la « science de la nature ». Dans un...) inédit. Celui-ci pourrait être exploité pour obtenir un contrôle (Le mot contrôle peut avoir plusieurs sens. Il peut être employé comme synonyme d'examen, de vérification et de maîtrise.) précis de certaines propriétés électroniques de ce matériau, telles que la transition subite d'un état conducteur à 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 isolants phoniques et les...), et développer de nouveaux dispositifs plus économes en énergie. Cette avancée est à lire dans la revue Nature Materials.

"Les nickelate sont connus pour leur particularité de passer (Le genre Passer a été créé par le zoologiste français Mathurin Jacques Brisson (1723-1806) en 1760.) subitement d'un état d'isolant à celui de conducteur électrique lorsque leur 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 du...) passe au-dessus d'un certain seuil, expose Jean-Marc Triscone, professeur au Département de physique de la matière (La matière est la substance qui compose tout corps ayant une réalité tangible. Ses trois états les plus communs sont l'état solide, l'état liquide, l'état gazeux. La matière occupe de l'espace et...) quantique de la Faculté des sciences de l'UNIGE. Cette température de transition varie selon la composition de ce matériau."

Les nickelates sont en effet formés d'un oxyde (Un oxyde est un composé de l'oxygène avec un élément moins électronégatif, c'est-à-dire tous sauf le fluor. Oxyde désigne également...) de nickel (Le nickel est un élément chimique, de symbole Ni et de numéro atomique 28.) additionné d'un atome (Un atome (du grec ατομος, atomos, « que l'on ne peut diviser ») est la plus petite partie d'un corps simple pouvant se combiner...) appartenant aux éléments dits "terres rares (Les terres rares sont un groupe de métaux aux propriétés voisines comprenant le scandium 21Sc, l'yttrium 39Y et les quinze lanthanides.)" (soit un ensemble (En théorie des ensembles, un ensemble désigne intuitivement une collection d’objets (les éléments de l'ensemble), « une multitude qui peut être...) de 17 éléments du tableau (Tableau peut avoir plusieurs sens suivant le contexte employé :) périodique). Lorsque cette terre (La Terre est la troisième planète du Système solaire par ordre de distance croissante au Soleil, et la quatrième par taille et par masse...) rare est le samarium (Sm), par exemple, le saut métal-isolant a lieu aux environs de 130°C, tandis que s'il s'agit du néodyme (Nd), ce seuil descend à -73°C. Cette différence s'explique par le fait que lorsqu'on remplace le Sm par le Nd, on provoque une déformation de la structure cristalline du composé. C'est cette déformation qui contrôle la valeur de cette température de transition.

Afin d'en savoir plus sur ces matériaux, les scientifiques genevois ont étudié des échantillons formés d'une répétition de couches de nickelate au samarium déposées sur des couches de nickelate au néodyme - une sorte de super sandwich où tous les atomes sont parfaitement arrangés.

Comme un matériau unique

"Lorsque les couches sont assez épaisses, elles se comportent de manière indépendante, chacune conservant sa propre température de transition, note Claribel Domínguez, doctorante au Département de physique de la matière quantique et première auteure de l'article. Curieusement, lorsque nous avons affiné les couches jusqu'à ce qu'elles ne dépassent pas huit atomes chacune, l'échantillon (De manière générale, un échantillon est une petite quantité d'une matière, d'information, ou d'une solution. Le mot est utilisé dans différents...) entier a commencé à se comporter comme un matériau unique avec un seul saut important de conductivité à une température de transition intermédiaire."

Une analyse très fine au microscope électronique (Un microscope électronique est un type de microscope qui utilise un faisceau de particules d'électrons pour illuminer un échantillon et en créer une image très agrandie. Les microscopes...) menée à l'EPFL, soutenue par des développements théoriques sophistiqués réalisés par des collègues américains et belges, a montré que des déformations de la structure cristalline apparaissent à l'interface (Une interface est une zone, réelle ou virtuelle qui sépare deux éléments. L’interface désigne ainsi ce que chaque élément a besoin de...) des matériaux mais que celles-ci ne se propagent que sur deux ou trois couches atomiques. Ce n'est donc pas cette distorsion qui peut expliquer le phénomène observé. En réalité, tout (Le tout compris comme ensemble de ce qui existe est souvent interprété comme le monde ou l'univers.) se passe comme si les couches les plus éloignées savaient, d'une façon ou d'une autre, qu'elles étaient très proche de l'interface mais sans être physiquement déformées.

Rien de magique

"Il n'y a rien de magique là-dedans, rassure Jennifer Fowlie, chercheuse au Département de physique de la matière quantique et co-auteure de l'article. Notre étude montre que le maintien d'une interface entre une région conductrice et une région isolante, comme c'est le cas dans nos échantillons, est très coûteuse en énergie. Du coup, lorsque les deux couches sont suffisamment fines, elles ont la possibilité d'adopter un comportement beaucoup moins énergivore qui consiste à devenir un matériau unique, soit totalement métallique, soit totalement isolant, et avec une température de transition commune. Et ce, sans changer sa structure cristalline. Ce couplage n'est donc pas magique mais bel (Nommé en l’honneur de l'inventeur Alexandre Graham Bell, le bel est unité de mesure logarithmique du rapport entre deux puissances, connue pour exprimer la puissance...) et bien inédit."

Cette découverte, réalisée grâce au soutien du Fonds national suisse pour la recherche scientifique (La recherche scientifique désigne en premier lieu l’ensemble des actions entreprises en vue de produire et de développer les connaissances scientifiques. Par...) et de la bourse européenne ERC Synergy ( Synergy est la traduction ango-saxonne du mot synergie Dans l'industrie de l'informatique, Synergy peut faire référence à la marque commerciale d'un logiciel: voir Synergy (logiciel) Dans l'industrie des...) Grant Q-MAC (Frontiers in Quantum Materials' Control), offre une nouvelle façon de contrôler les propriétés des structures électroniques artificielles, dans le cas présent le saut de conductivité obtenu par les chercheuses genevoises dans leur nickelate composite et qui représente un élément important pour le développement de nouveaux dispositifs électroniques. Les nickelates pourraient notamment servir dans des applications telles que les transistors piézo-électriques (réagissant à la pression).

De manière plus générale, les travaux genevois s'inscrivent dans une stratégie (La stratégie - du grec stratos qui signifie « armée » et ageîn qui signifie « conduire » - est :) consistant à réaliser des matériaux artificiels "par design (Le design (la stylique en français) est un domaine visant à la création d'objets, d'environnements ou d'œuvres graphiques, à la fois fonctionnels, esthétiques et conformes aux impératifs...)" ou "sur commande (Commande : terme utilisé dans de nombreux domaines, généralement il désigne un ordre ou un souhait impératif.)", c'est-à-dire ayant des propriétés répondant à un besoin (Les besoins se situent au niveau de l'interaction entre l'individu et l'environnement. Il est souvent fait un classement des besoins humains en trois grandes catégories : les besoins primaires, les besoins secondaires et les...) particulier. Cette route (Le mot « route » dérive du latin (via) rupta, littéralement « voie brisée », c'est-à-dire creusée dans la roche, pour ouvrir le chemin.), suivie par de nombreux chercheurs à travers le monde (Le mot monde peut désigner :), est prometteuse pour une électronique future économe en énergie.
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