Des chercheurs de l'Université du Wisconsin-Madison ont fabriqué un matériau qui peut passer d'un métal transmettant l'électricité à un matériau isolant non conducteur sans changer sa structure atomique.

"C'est une découverte assez excitante, " dit Chang-Beom Eom, professeur de science et ingénierie des matériaux. "Nous avons trouvé une nouvelle méthode de commutation électronique."

Le nouveau matériau pourrait jeter les bases d'appareils électroniques ultrarapides. Eom et son équipe internationale de collaborateurs ont publié les détails de leur avancée aujourd'hui (30 novembre 2018) dans la revue Science .

Les métaux comme le cuivre ou l'argent conduisent l'électricité, alors que les isolants comme le caoutchouc ou le verre ne permettent pas au courant de circuler. Certains matériaux, cependant, peut passer d'isolant à conducteur.

Cette transition signifie généralement que la disposition des atomes d'un matériau et de ses électrons conducteurs doit changer de manière coordonnée, mais la transition atomique se déroule généralement beaucoup plus lentement que la plus petite, électrons plus légers qui conduisent l'électricité.

Un matériau qui peut passer à la conduction de l'électricité comme un métal sans déplacer ses atomes pourrait considérablement augmenter les vitesses de commutation des appareils avancés, dit Eom.

"La transition métal-isolant est très importante pour les interrupteurs et pour les dispositifs logiques à un ou à zéro, " dit-il. " Nous avons le potentiel d'utiliser ce concept pour faire des changements très rapides. "

Dans leurs recherches, Eom et ses collaborateurs ont répondu à une question fondamentale qui préoccupe les scientifiques depuis des années :la transition électronique et structurelle peut-elle être découplée, essentiellement, les électrons qui changent rapidement peuvent-ils éclater d'eux-mêmes et laisser les atomes derrière eux ?

Ils ont utilisé un matériau appelé dioxyde de vanadium, qui est un métal lorsqu'il est chauffé et un isolant lorsqu'il est à température ambiante. A hautes températures, les atomes qui composent le dioxyde de vanadium sont disposés selon un motif répétitif régulier que les scientifiques appellent la phase rutile. Lorsque le dioxyde de vanadium se refroidit pour devenir un isolant, ses atomes adoptent un schéma différent, appelé monoclinique.

Aucune substance naturelle ne conduit l'électricité lorsque leurs atomes sont dans la conformation monoclinique. Et il faut du temps aux atomes pour se réarranger lorsqu'un matériau atteint la température de transition isolant-métal.

Surtout, le dioxyde de vanadium effectue des transitions entre un métal et un isolant à différentes températures en fonction de la quantité d'oxygène présente dans le matériau. Les chercheurs ont tiré parti de ce fait pour créer deux fines couches de dioxyde de vanadium - l'une avec une température de transition légèrement inférieure à l'autre - prises en sandwich l'une sur l'autre, avec une interface nette entre.

Lorsqu'ils ont chauffé le mince sandwich au dioxyde de vanadium, une couche a fait le changement structurel pour devenir un métal. Les atomes de l'autre couche sont restés bloqués dans la phase monoclinique isolante. Étonnamment, cependant, cette partie du matériau conduit l'électricité.

Plus important encore, le matériau est resté stable et a conservé ses caractéristiques uniques.

Bien que d'autres groupes de recherche aient tenté de créer des isolants électriquement conducteurs, ces matériaux ont perdu leurs propriétés presque instantanément, persistant pendant quelques femtosecondes, ou quelques millièmes d'un trillionième de seconde.

Le matériel de l'équipe Eom, cependant, est ici pour rester.

"Nous avons pu le stabiliser, le rendant utile pour les appareils réels, " dit Eom.

La clé de leur approche était la double couche, structure sandwich. Chaque couche était si fine que l'interface entre les deux matériaux dominait le comportement de l'ensemble de la pile. C'est une notion qu'Eom et ses collègues prévoient d'approfondir.

« Concevoir des interfaces pourrait ouvrir de nouveaux matériaux, " dit Eom.

La Wisconsin Alumni Research Foundation aide les chercheurs à déposer un brevet.