Les transitions de phase ont longtemps été d'une importance cruciale pour la recherche scientifique. Le passage de l'eau à la glace ou à la vapeur en est un exemple simple. Une transition de phase importante pour la recherche pionnière aujourd'hui est celle du métal à l'isolant dans les matériaux appelés « oxydes corrélés ». Les scientifiques ont récolté de nombreuses informations sur des phénomènes tels que la supraconductivité et le magnétisme en étudiant ce qui se passe lorsqu'un oxyde corrélé qui conduit l'électricité avec peu ou pas de résistance (similaire à un métal) se transforme en un autre qui ne le fait pas (isolant) à la suite de changements de température, pression, ou d'autres champs externes.

Dans un article de la revue La nature , Peter Littlewood, ancien directeur du Laboratoire national d'Argonne du Département américain de l'énergie (DOE) (2014-2017), et ses collègues proposent le tableau le plus complet à ce jour concernant la transition métal-isolant dans les oxydes de métaux de transition. Ces oxydes corrélés ont fasciné les scientifiques en raison de leurs nombreuses propriétés électroniques et magnétiques attrayantes.

"Le réglage et le contrôle de cette transition métal-isolant ont été à l'origine de nouvelles physiques passionnantes et d'applications prometteuses pour les matériaux, comme la microélectronique basse consommation et ultrarapide, " dit Littlewood, actuellement professeur de physique à l'Institut James Franck de l'Université de Chicago avec une nomination conjointe dans la division Science des matériaux d'Argonne et président exécutif de l'Institution Faraday.

Gian Guzmán-Verri et Richard Brierley ont rejoint Littlewood dans ce projet de recherche. Guzmán-Verri a commencé la recherche en tant que post-doctorant Argonne et est maintenant professeur à l'Université du Costa Rica. Brierley a effectué la recherche lors de rendez-vous postdoctoraux à l'Université de Cambridge et à l'Université de Yale et est maintenant rédacteur en chef chez Nature Communications.

"Dans le passé, les scientifiques ont généralement réglé cette transition métal-isolant en ajoutant des électrons, " Littlewood a déclaré. " Des recherches menées sur plusieurs décennies par d'autres suggèrent que l'ajustement de la taille d'un " ion végétal " électroniquement inactif mais structurellement important dans la structure cristalline de l'oxyde a également un impact important sur la température de transition. " Cependant, la raison de cet effet n'a pas été bien comprise.

La taille de l'ion végétal électroniquement inactif peut modifier la température à laquelle la transition métal-isolant se produit du zéro absolu à bien au-dessus de la température ambiante. Plus la température de transition est élevée et proche de la température ambiante, plus le matériau est attrayant pour des applications pratiques.

Les recherches de l'équipe se sont concentrées sur une classe importante d'oxydes de métaux de transition, les pérovskites. Avec l'oxygène, ces oxydes combinent un ion électroniquement actif et l'ion végétal électroniquement inactif. Ce dernier ion peut être l'un quelconque des nombreux éléments des terres rares ou des métaux alcalino-terreux. En conséquence, les scientifiques peuvent choisir que sa taille atomique soit relativement petite ou grande sans changer la chimie associée.

Le côté gauche de l'image d'accompagnement montre la structure cristalline de base d'un oxyde de métal de transition pérovskite. Chaque maille élémentaire (losanges gris) a huit côtés, avec des atomes d'oxygène (cercles rouges) situés aux six sommets et le métal de transition (manganèse ou nickel) caché au centre. Les cercles verts représentent l'ion végétal, soit une terre rare, soit un métal alcalino-terreux.

La clé de la découverte cruciale des auteurs est la détermination de l'effet de la taille de la terre rare ou du métal alcalino-terreux. La variation de la taille de cet élément modifie l'angle d'inclinaison introduit dans les unités à huit côtés, montré dans le côté droit de la figure ci-jointe. À son tour, l'augmentation de l'angle d'inclinaison entraîne diverses distorsions et mouvements dans les unités à huit côtés, qui peut s'étirer, rétrécir et tourner en raison des contraintes internes.

« Ce sont les fluctuations dynamiques de ces degrés de liberté élastiques qui sont responsables des effets thermiques observés, qui se produisent à des températures bien inférieures à celles prises en compte dans les modèles antérieurs basés uniquement sur l'ion électroniquement actif, " dit Littlewood.

Sur la base du mécanisme ci-dessus, l'équipe a pu construire une théorie qui capture la relation entre l'angle d'inclinaison induit par la taille des ions végétaux, la température de la transition métal-isolant et le degré de désordre dans la structure cristalline de la pérovskite. Des calculs relativement simples avec la théorie concordaient bien avec les résultats expérimentaux du zéro absolu à plus de 600 degrés Fahrenheit.

" Surtout, notre étude théorique s'applique non pas à un seul matériau, mais toute une classe de matériaux, et a de nombreuses applications possibles, dont certains pertinents pour les programmes de recherche en cours et prévus à Argonne, " dit Littlewood.

Dans le domaine de recherche émergent de la microélectronique de nouvelle génération, par exemple, l'amélioration du réglage et du contrôle de la transition métal-isolant promet un grand pas en avant dans la microélectronique à faible consommation et ultrarapide pour les ordinateurs qui simulent les processus cérébraux.

En outre, les scientifiques du programme de batteries de classe mondiale d'Argonne pourraient s'inspirer de la théorie pour concevoir de meilleurs matériaux de cathode pour les batteries lithium-ion de prochaine génération. Une partie de l'inspiration pour la recherche de l'équipe de Littlewood était la recherche pionnière de John Goodenough sur la transition métal-isolant il y a plusieurs décennies. Goodenough a traduit cette compréhension dans l'inspiration pour inventer la batterie Li-ion, et a remporté cette année le prix Nobel de chimie pour ses travaux.

Les La nature papier de Littlewood, Guzman-Verri, et Richard Brierley s'intitule "Les fluctuations élastiques coopératives permettent d'accorder la transition métal-isolant".