Les chercheurs ont jeté un coup d'œil derrière le rideau de la transition de phase ultrarapide du dioxyde de vanadium et ont découvert que son théâtre atomique est beaucoup plus compliqué qu'ils ne le pensaient. C'est un matériau qui fascine les scientifiques depuis des décennies pour sa capacité à passer d'un isolant électrique à un conducteur.

L'étude, qui paraît le 2 novembre dans le journal Science , est une collaboration entre des chercheurs de l'Université Duke, le SLAC National Accelerator Laboratory à Stanford, l'Institut des sciences et technologies de Barcelone, Laboratoire national d'Oak Ridge, et l'Institut japonais de recherche sur le rayonnement synchrotron.

Le dioxyde de vanadium a été intensément étudié par les chercheurs pendant plus de cinq décennies en raison de sa capacité inhabituelle à passer d'isolant à conducteur à la température commodément atteignable de 152 degrés Fahrenheit. Alors que d'autres matériaux sont également capables de cette transition, la plupart se produisent bien en dessous de la température ambiante, faisant du dioxyde de vanadium une meilleure option pour les applications pratiques.

Plus récemment, les scientifiques des matériaux ont exploré comment cette même transition de phase a lieu lorsque la structure atomique du matériau est excitée par un temps extrêmement court, impulsion laser ultrarapide. Ce qui rend le phénomène si difficile à étudier, c'est la vitesse remarquable à laquelle il se produit, environ 100 femtosecondes. C'est un dixième de millionième de millionième de seconde.

Les impulsions de rayons X ultra-lumineuses à la source de lumière cohérente Linac (LCLS) du SLAC, cependant, sont encore plus rapides.

En déclenchant la transition de phase électrique du dioxyde de vanadium avec un laser femtoseconde, puis en faisant cingler ses atomes avec des impulsions de rayons X de quelques dizaines de femtosecondes seulement, les chercheurs ont pu observer la transition se dérouler en détail pour la première fois. Ils ont trouvé que, plutôt que de passer d'une structure atomique à une autre de manière directe, manière collaborative, les atomes de vanadium sont arrivés à leurs destinations par des voies plus imprévisibles et indépendamment les uns des autres.

« Il a été proposé que le matériau passe d'une structure cristalline à l'autre en suivant une logique déterministe, brassage bien défini, " a déclaré Olivier Delaire, professeur agrégé de génie mécanique et de science des matériaux à Duke et l'un des chefs de file de l'étude. "Au lieu de cela, nous avons découvert que, même au sein d'une seule transition, chaque atome fait sa propre chose indépendamment des autres."

"Le trouble que nous avons trouvé est très fort, ce qui signifie que nous devons repenser la façon dont nous étudions tous ces matériaux que nous pensions se comporter de manière uniforme, " dit Simon Wall, professeur associé à l'Institut des sciences photoniques de Barcelone et l'un des responsables de l'étude.

"Ils ne se déplacent pas facilement dans leurs nouvelles positions comme les membres d'un groupe marchant dans un champ ; ils titubent comme des fêtards quittant un bar à l'heure de la fermeture, " Wall a déclaré. "Si notre objectif ultime est de contrôler le comportement de ces matériaux afin que nous puissions les basculer d'une phase à l'autre, il est beaucoup plus difficile de contrôler le chœur ivre que la fanfare."

Pour démêler le sens des observations expérimentales, Le groupe de Delaire à Duke a également dirigé des simulations sur superordinateur de la dynamique atomique dans le matériau. Les simulations ont été exécutées sur des superordinateurs du Centre national de calcul scientifique de la recherche énergétique et de l'Oak Ridge Leadership Computing Facility.

"C'était époustouflant quand mon élève Shan Yang m'a montré les résultats de ses simulations quantiques de mouvements atomiques, " a poursuivi Delaire. " Cela correspondait presque parfaitement aux " films " expérimentaux d'intensités de rayons X enregistrées, même sans avoir besoin de paramètres réglables."

Les études précédentes n'avaient pas accès à la résolution spatiale et temporelle offerte par le LCLS, et ne pouvait mesurer que des moyennes des comportements atomiques du matériau. En raison de ces limites, ils ne pouvaient pas voir l'importance des écarts aléatoires par rapport aux mouvements moyens des atomes de vanadium.

Avec la sensibilité du LCLS cependant, les chercheurs pouvaient avoir une image beaucoup plus claire de ce qui se passait.

"C'est un peu comme les astronomes qui étudient le ciel nocturne, " a déclaré Delaire. " Les études précédentes ne pouvaient voir que les étoiles les plus brillantes visibles à l'œil nu. Mais avec les impulsions de rayons X ultrabrillantes et ultrarapides, nous avons pu voir les signaux faibles et diffus de la galaxie de la Voie Lactée entre eux."

Cette étude, et d'autres aiment ça, sont essentiels pour comprendre le comportement des matériaux photo-excités. Par exemple, s'il est correctement attelé, la réaction atomique du dioxyde de vanadium révélée dans cette étude pourrait constituer la base de transistors ultrarapides pour ordinateurs combinant photons et électrons. Et les chercheurs utilisent également ce concept général dans la poursuite du rêve des supraconducteurs à température ambiante.

"Les nouvelles connaissances que nous avons acquises sur le processus de transition isolant-métal photo-induite dans le dioxyde de vanadium devraient être directement pertinentes pour réévaluer notre compréhension d'autres matériaux, " a déclaré Delaire. "Nous commençons tout juste à explorer ce nouveau domaine de pouvoir contrôler le comportement des matériaux simplement en les éclairant, et combiner des installations de radiographie de pointe avec des superordinateurs pour suivre ce qui se passe. Et nous découvrons que la dynamique atomique impliquée est encore plus compliquée que nous ne le pensions auparavant. »