Que l'eau gèle en glace, le fer est démagnétisé ou un matériau devient supraconducteur – pour les physiciens, il y a toujours une transition de phase derrière. Ils s'efforcent de comprendre ces différents phénomènes en recherchant des propriétés universelles. Des chercheurs de l'Université Goethe de Francfort et de la Technische Universität Dresden ont fait une découverte pionnière lors de leur étude d'une transition de phase d'un conducteur électrique à un isolant (transition métal-isolant de Mott).

Selon la prédiction de Sir Nevill Francis Mott en 1937, la répulsion mutuelle des électrons chargés, qui sont chargés de transporter le courant électrique, peut provoquer une transition métal-isolant. Encore, contrairement à l'opinion courante dans les manuels, selon laquelle la transition de phase est déterminée uniquement par les électrons, c'est l'interaction des électrons avec le réseau atomique du solide qui est le facteur déterminant. Les chercheurs l'ont signalé dans le dernier numéro du Avancées scientifiques journal.

Le groupe de recherche, dirigé par le professeur Michael Lang de l'Institut de physique de l'Université Goethe de Francfort, réussi à faire la découverte à l'aide d'un appareil artisanal unique au monde. Il permet la mesure des changements de longueur à basse température sous pression externe variable avec une résolution extrêmement élevée. De cette façon, il a été possible de prouver expérimentalement pour la première fois que ce ne sont pas seulement les électrons qui jouent un rôle important dans la transition de phase mais aussi le réseau atomique, l'échafaudage du solide.

"Ces résultats expérimentaux annonceront un changement de paradigme dans notre compréhension de l'un des phénomènes clés de la recherche actuelle sur la matière condensée, " explique le professeur Lang. La transition métal-isolant de Mott est notamment liée à des phénomènes inhabituels, comme la supraconductivité à haute température dans les matériaux à base d'oxyde de cuivre. Ceux-ci offrent un potentiel énorme pour de futures applications techniques.

L'analyse théorique des résultats expérimentaux est basée sur la notion fondamentale que les nombreuses particules d'un système proche d'une transition de phase non seulement interagissent avec leurs voisines immédiates, mais « communiquent » également sur de longues distances avec toutes les autres particules. En conséquence, seuls les aspects généraux sont importants, comme la symétrie du système. L'identification de telles propriétés universelles est donc la clé pour comprendre les transitions de phase.

"Ces nouvelles connaissances ouvrent une toute nouvelle perspective sur la transition métal-isolant de Mott et permettent une modélisation théorique plus sophistiquée de la transition de phase, " explique le Dr Markus Garst, Maître de conférences à l'Institut de physique théorique de la Technische Universität Dresden.