Certains oxydes métalliques, comme les nickelates, avoir une résistivité réglable, ce qui en fait un matériau intéressant pour l'électronique adaptable et l'informatique cognitive. Ces matériaux peuvent changer de nature de métallique à isolant. Comment exactement cette transition métal-isolant a lieu est un sujet de grand intérêt en physique de la matière condensée. Cependant, même le comportement métallique des nickelates semble inhabituel. Des scientifiques de l'Université de Groningue, avec des collègues espagnols, ont maintenant trouvé qu'il n'est pas aussi complexe qu'on le supposait auparavant. Les résultats ont été publiés le 11 juin dans la revue Communication Nature .

Dans un métal, les électrons peuvent se déplacer librement, alors que dans les isolants, ils sont fortement localisés autour des noyaux atomiques. Lorsqu'un métal est chauffé, les vibrations des ions (appelées phonons) dispersent les électrons en mouvement et augmentent la résistivité. En revanche, le chauffage peut générer de la conductivité dans certains isolants, lorsque les électrons reçoivent suffisamment d'énergie pour être libérés et traversent la bande interdite d'énergie qui les empêche autrement de se déplacer.

Explications exotiques

« Dans certains oxydes, comme les nickelates, une transition de l'isolant au métal peut se produire, mais on ne sait pas comment cela se produit, " dit Beatriz Noheda, professeur de nanomatériaux fonctionnels et directeur du Groningen Cognitive Systems and Materials Center (CogniGron) à l'Université de Groningen. Elle et son doctorat l'étudiant Qikai Guo s'intéresse aux nickelates car il est possible d'ajuster leur résistivité. Ils pourraient être utilisés dans des appareils qui émulent le fonctionnement des synapses dans notre cerveau.

"Avant de pouvoir faire ça, nous devons comprendre quelle est la nature de l'état le plus simple, l'état métallique, est. Cela signifie comprendre comment les électrons se déplacent dans le matériau lorsqu'un champ électrique leur est appliqué, " explique Noheda. Un changement linéaire de résistivité (un exposant de 1 dans la courbe qui représente la résistivité en fonction de la température) peut être expliqué par un modèle simple dans lequel les électrons sont gênés par la vibration des ions. " Cependant, pour un exposant différent de 1, des explications plus exotiques ont été suggérées, basé sur la présence de fluctuations dans les spins des électrons de nickel et les interactions électron-électron qui se produisent lorsque le système est proche d'un point critique quantique.

Souche

Cependant, en couches minces de nickelate de néodyme (NdNiO 3 ), Noheda et son équipe ont observé que l'exposant était 1 dans certains échantillons, tandis que dans d'autres échantillons du même matériau, Ce n'était pas. Cela suggère que l'exposant n'est pas une propriété intrinsèque. Noheda :"Cela nous a conduit à regarder systématiquement des échantillons cultivés sur différents substrats." Les résultats ont montré que dans les films parfaits, l'exposant est 1, ce qui signifie que la résistivité est causée par les phonons, comme dans les métaux normaux. Cependant, lorsque le substrat utilisé induit une contrainte dans le film mince, l'exposant change.

La contrainte conduit à des lacunes d'oxygène dans les cristaux et modifie les forces entre les ions et, donc, les énergies électroniques. Cette, à son tour, modifie la résistivité des matériaux. "Ce que nous avons découvert, c'est que nous pouvons contrôler le nombre de postes vacants et régler en continu l'exposant de résistivité à volonté, qui est un bouton d'accord que nous ne savions pas que nous avions. Ainsi, comprendre l'état du métal dans ces nickelates peut ne pas nécessiter d'interactions électron-électron exotiques, " conclut Nohéda.

Appareils synaptiques

Apprendre à contrôler l'état du métal et le passage à l'état d'isolant aidera les scientifiques à concevoir une électronique à base de nickelates, qui peut imiter la façon dont les neurones fonctionnent. C'est le but ultime de Noheda et de son équipe. "Nous savons maintenant que ces nickelates sont plus similaires aux métaux normaux que nous ne le pensions auparavant. Cela signifie qu'ils peuvent être de très bons conducteurs si nous nous assurons qu'il n'y a pas de lacunes ioniques dans le cristal. De cette façon, le passage à la phase isolante entraîne des changements de résistance plus importants, conduisant à des dispositifs synaptiques avec une plasticité améliorée."

Dans ces expériences, le changement de résistivité dans ces nickelates a été induit par une augmentation de la température. « Ce n'est bien sûr pas idéal lorsque vous souhaitez fabriquer un appareil. Notre prochaine étape consiste à concevoir le matériau de manière à pouvoir régler la résistivité à l'aide d'un champ électrique, " conclut Nohéda.