L'une des façons dont la chaleur endommage les équipements électroniques est qu'elle fait se dilater les composants à des vitesses différentes, résultant en des forces qui provoquent des microfissures et des distorsions. Les composants en plastique et les circuits imprimés sont particulièrement sujets aux dommages dus aux changements de volume pendant les cycles de chauffage et de refroidissement. Mais si un matériau pouvait être incorporé dans les composants qui compense la dilatation, les contraintes seraient réduites et leur durée de vie augmentée.

Tout le monde connaît un matériau qui se comporte ainsi :l'eau liquide se dilate lorsqu'elle gèle et la glace se contracte lorsqu'elle fond. Mais l'eau liquide et l'électronique ne font pas bon ménage—au lieu de cela, ce qu'il faut, c'est un solide à "dilatation thermique négative" (NTE).

Bien que de tels matériaux soient connus depuis les années 1960, un certain nombre de défis ont dû être surmontés avant que le concept ne soit largement utile et commercialement viable. En termes de matériaux et de fonction, ces efforts n'ont eu qu'un succès limité. Le matériel expérimental avait été produit dans des conditions de laboratoire spécialisées à l'aide d'équipements coûteux; et même alors, les plages de température et de pression dans lesquelles ils présenteraient une NTE étaient bien en dehors des conditions quotidiennes normales. De plus, le montant qu'ils ont augmenté et contracté dépendait de la direction, qui induisaient des contraintes internes qui modifiaient leur structure, ce qui signifie que la propriété NTE ne durerait pas plus longtemps que quelques cycles de chauffage et de refroidissement.

Une équipe de recherche dirigée par Koshi Takenaka de l'Université de Nagoya a réussi à surmonter ces défis liés à l'ingénierie des matériaux. Inspiré de la série d'œuvres de Noriaki Sato, également de l'Université de Nagoya, dont la découverte l'année dernière de la supraconductivité dans les quasicristaux a été considérée comme l'une des dix meilleures découvertes de physique de l'année par Monde de la physique magazine—Le professeur Takenaka a pris le samarium, élément des terres rares et son sulfure, monosulfure de samarium (SmS), qui est connu pour changer de phase de la "phase noire" à la "phase dorée" de plus petit volume. Le problème était de régler la plage de températures auxquelles la transition de phase se produit. La solution de l'équipe était de remplacer une petite proportion d'atomes de samarium par un autre élément des terres rares, donner Sm 1 fois R X S, où "R" est l'un des éléments des terres rares cérium (Ce), néodyme (Nd), praséodyme (Pr) ou yttrium (Y). La fraction x que l'équipe a utilisée était généralement de 0,2, à l'exception de l'yttrium. Ces matériaux ont montré une "dilatation thermique négative géante" allant jusqu'à 8% à pression ambiante ordinaire et une plage de températures utile (environ 150 degrés), y compris à température ambiante et au-dessus (Fig. 1). Le cérium est le candidat vedette ici car il est relativement bon marché.

La nature de la transition de phase est telle que les matériaux peuvent être réduits en poudre en très petites tailles de cristaux autour d'un micron de côté sans perdre leur propriété d'expansion négative. Cela élargit les applications industrielles, notamment au sein de l'électronique.

Bien que les réalisations techniques du groupe de l'Université de Nagoya soient impressionnantes, le fonctionnement de l'expansion négative est fascinant du point de vue de la physique fondamentale. Pendant la transition noir-or, la structure cristalline reste la même mais les atomes se rapprochent :la taille de la cellule unitaire devient plus petite parce que (comme c'est très probable mais peut-être pas encore certain à 100 %) la structure électronique des atomes de samarium change et les rend plus petits - un processus d'intra -transfert de charge atomique appelé "transition de valence" ou "fluctuation de valence" au sein des atomes de samarium (Fig. 2). "Mon impression, " dit le professeur Takenaka, « est-ce que la corrélation entre le volume du réseau et la structure électronique du samarium est vérifiée expérimentalement pour cette classe de sulfures ».

Plus précisement, en phase noire (plus basse température), la configuration électronique des atomes de samarium est (4f) ⁶ , ce qui signifie que dans leur enveloppe la plus externe, ils ont 6 électrons dans les orbitales f (avec s, orbitales p et d remplies); tandis que dans la phase dorée la configuration électronique est (4f) ⁵ (5d) ¹ —un électron est passé d'une orbitale 4f à une orbitale 5d. Bien qu'une coquille "supérieure" commence à être occupée, il s'avère - à travers une bizarrerie du principe d'exclusion de Pauli - que le deuxième cas donne une taille d'atome plus petite, conduisant à une taille de cristal plus petite et à une expansion négative.

Mais ce n'est qu'une partie de l'image fondamentale. Dans la phase noire, le sulfure de samarium et ses rejets dopés sont des isolants, ils ne conduisent pas l'électricité; tandis que dans la phase dorée, ils se transforment en conducteurs (c'est-à-dire en métaux). Cela suggère que pendant la transition de phase noir-or, la structure de bande de l'ensemble du cristal influence la transition de cantonnière au sein des atomes de samarium. Bien que personne n'ait fait les calculs théoriques pour les sulfures de samarium dopés effectués par le groupe du professeur Takenaka, une étude théorique précédente a indiqué que lorsque les électrons quittent l'orbitale f des atomes de samarium, ils laissent derrière eux un "trou" chargé positivement qui interagit lui-même de manière répulsive avec des trous dans la bande de conduction du cristal, affectant leur interaction d'échange. Cela devient un effet coopératif qui entraîne ensuite la transition de valence dans les atomes de samarium. Le mécanisme exact, bien que, n'est pas bien compris.

Néanmoins, la réalisation du groupe dirigé par l'Université de Nagoya est l'un de l'ingénierie, pas de la physique pure. "Ce qui est important pour de nombreux ingénieurs, c'est la possibilité d'utiliser le matériau pour réduire les défaillances de l'appareil dues à la dilatation thermique, " explique le professeur Takenaka. " Bref, dans une certaine plage de température - la plage de température dans laquelle l'appareil prévu fonctionne, généralement un intervalle de dizaines de degrés ou plus - le volume doit diminuer progressivement avec une augmentation de la température et augmenter à mesure que la température baisse. Bien sûr, Je sais également que l'expansion du volume lors du refroidissement pendant une transition de phase [comme la congélation de l'eau] est un cas courant pour de nombreux matériaux. Cependant, si le volume change dans une plage de température très étroite, il n'y a aucune valeur d'ingénierie. La réalisation actuelle est le résultat de l'ingénierie des matériaux, pas de la physique pure."

Peut-être même annonce-t-il un nouvel âge "d'or" pour l'électronique.