Une nouvelle étude menée par des chercheurs de l'Université Waseda et de l'Université de Tokyo a révélé que l'ordre orbital dans un composé de vanadate présente un comportement de nucléation-croissance clair.

"Nous pensons qu'il s'agit de la première observation du genre, où les électrons dans un solide inorganique ont créé deux phases molles similaires à la vapeur et à l'eau, et où un comportement de nucléation-croissance a été observé en raison de la tension superficielle créée entre les phases, " dit Takuro Katsufuji, professeur de sciences physiques à l'Université Waseda et chercheur principal de cette étude.

Les chercheurs ont publié leurs résultats évalués par des pairs dans Communication Nature le 11 mai 2020.

Lorsque la vapeur d'eau se condense, la vapeur se transforme en rosée au fur et à mesure que les noyaux d'eau se forment et se développent, phases de transition du gaz au liquide. Cette formation et croissance des noyaux est appelée le processus de nucléation-croissance, et il se produit dans divers types de transitions de phase.

Bien que les transitions de phase se produisent également dans les solides, un comportement de nucléation-croissance n'a jamais été observé lors de transitions de phase basées sur les électrons dans les matériaux inorganiques. L'explication la plus probable est qu'il doit y avoir une tension de surface pour que ce comportement se produise, mais les solides durs ne pouvaient créer qu'une tension superficielle négligeable par rapport à une énergie élastique en vrac.

Dans leur étude, Katsufuji et son équipe ont utilisé le composé de vanadate BaV dix O 15 , un oxyde de vanadium et de baryum. Précédemment, ils ont trouvé qu'à 130K, soit environ -140°C, la direction des orbitales possédées par les électrons du vanadium s'alignent, déclenchant une transition de phase connue sous le nom d'ordre orbital dans ce composé.

« Sachant cela, ce que nous avons fait dans notre étude récente était de remplacer partiellement le vanadium par du titane, un élément chimique situé à gauche du vanadium dans le tableau périodique, contrôler la température de transition de l'ordre orbital, " explique Katsufuji. " Nous avons révélé que le processus de nucléation-croissance se produisait en mesurant la dépendance temporelle de la résistivité électrique, susceptibilité magnétique, et la tension dans l'ordre orbital de ce vanadate, et a découvert que les électrons avaient créé deux phases molles de type vapeur-eau dans ce solide organique et qu'il y avait une tension superficielle entre les deux phases."

Autrefois, des méthodes pour obtenir des caractéristiques souhaitables avec une coexistence à deux phases dans les solides ont été testées avec divers matériaux et dispositifs, mais dans la plupart des cas, il a été difficile de contrôler le rapport volumique et les formes des deux phases. Cependant, il est prévu que pour ces phases molles nouvellement découvertes, le contrôle du rapport de volume et de ses formes pourrait se faire plus facilement. Aussi, BaV dix O 15 est connu pour ses excellentes performances en tant que matériau thermoélectrique pouvant générer de l'électricité à partir de la différence de température, faire de ce composé à deux phases coexistant un matériau attractif.

Katsufuji ajoute, "La raison pour laquelle le processus de nucléation-croissance se produit dans BaV dix O 15 est parce que la tension superficielle entre les deux phases est assez grande en raison du couplage de degrés de liberté appelés orbitales et spins dans les électrons. Nous espérons faire progresser la recherche en partant du principe qu'il s'agit d'un nouveau phénomène résultant de ces degrés de liberté couplés d'électrons."

Les chercheurs prévoient de mesurer diverses quantités physiques du composé de vanadate à un état où les deux phases coexistent et de comprendre comment ses propriétés physiques peuvent changer ainsi que comment ses caractéristiques peuvent s'améliorer en tant que matériau fonctionnel. Plus loin, BaV dix O 15 est le premier matériau en tant que composé inorganique où le processus de nucléation-croissance a été observé, mais il sera nécessaire de trouver s'il existe d'autres matériaux qui présentent un comportement de nucléation-croissance.