Comment une interface électriquement conductrice peut-elle apparaître à la jonction entre deux matériaux qui ne conduisent pas l'électricité ? Depuis qu'un tel phénomène a été découvert en 2004, des hypothèses contradictoires ont été avancées pour répondre à cette question, chacun avec ses fervents partisans et critiques. Une équipe internationale réunissant des chercheurs de l'Institut Paul Scherrer (PSI), l'Université de Genève (UNIGE) et le Département de physique théorique des matériaux de l'Université de Liège ont clarifié le débat.

Ces chercheurs ont montré que la conductivité résulte d'un effet intrinsèque à la jonction entre les deux matériaux, réfutant l'hypothèse alternative d'une origine extrinsèque liée à la présence d'imperfections introduites lors de la jonction en cours d'élaboration. L'interface entre ces deux composés possède des propriétés électriques et magnétiques fascinantes qui laissent entrevoir un certain nombre d'applications dans les domaines de l'électronique et de l'informatique. Les résultats ont été publiés dans la revue Communication Nature .

En 2004, des chercheurs ont découvert une couche conductrice à l'interface entre deux oxydes isolants, SrTiO 3 et LaAlO 3 . Après plusieurs années de recherches intensives, les origines de la conductivité restent encore controversées.

Une école de pensée lie cette conduction à des propriétés intrinsèques à la jonction. En termes simplistes, la nature chimique différente des atomes qui composent SrTiO 3 et LaAlO 3 serait responsable d'un déséquilibre de la charge électrique sur une partie ou l'autre de l'interface. Pour compenser ce déséquilibre, la théorie prédit que pour une épaisseur critique de LaAlO 3 , le système électronique va se réarranger en transférant des électrons à l'interface, le rendant ainsi conducteur.

Cette explication, qui porte le nom de « modèle de catastrophe polaire », se dresse contre l'idée que les imperfections, inhérent à la croissance de la couche de LaAlO 3 , est à l'origine d'un dopage chimique de la région de l'interface et génère la couche conductrice.

L'expérience appropriée

Afin de clarifier cette controverse, l'équipe de chercheurs a mis au point une expérience permettant de tester une prédiction fondamentale de la « catastrophe polaire » afin de valider cette explication.

L'expérience a consisté à remplacer l'un des matériaux, LaAlO 3 , par son alliage avec l'autre composé, modifiant ainsi le déséquilibre de charge à l'interface. A l'Université de Liège, Denis Fontaine et Philippe Ghosez ont théoriquement prédit l'effet de ce changement sur l'épaisseur critique. Les groupes PSI et UNIGE ont produit des échantillons et les ont mesurés. Ces expériences ont montré que la relation entre l'épaisseur critique et la composition de l'alliage correspondait parfaitement à la prédiction théorique, démontrant les origines intrinsèques du phénomène.

De nombreuses applications en vue

Cette interface conductrice pourrait jouer un rôle important dans des applications futures telles que celles des transistors ou des capteurs. Le fait que les origines de la conductivité soient intrinsèques au système est un plus pour le développement de l'électronique à base d'oxyde.