Des chercheurs de l'Institut de physique du solide (ISSP) de l'Université de Tokyo ont exploré comment la lumière induit la transition isolant-métal (IMT) dans un matériau quantique appelé dioxyde de vanadium (VO2) à l'aide d'un dispositif expérimental innovant. Ils ont pu observer comment les spins électroniques, la charge et les vibrations du réseau sont couplés dans VO2 et ont jeté un nouvel éclairage sur les mécanismes complexes sous-jacents de l’IMT.

Les transitions de phase sont omniprésentes dans la nature, et l’une des plus intrigantes est la transition d’un état isolant à un état métallique. Ce phénomène est au cœur de nombreuses propriétés fascinantes, comme la supraconductivité et la colossale magnétorésistance.

VO2 est un excellent exemple de matériau présentant de l'IMT. À température ambiante, c’est un isolant, ce qui signifie que les électrons ne peuvent pas le traverser facilement. Cependant, lorsqu’il est chauffé au-dessus de 68 degrés Celsius, il subit une transformation radicale et devient un métal, permettant aux électrons de se déplacer librement.

"Cette transition isolant-métal dans VO2 a été étudiée de manière approfondie, à la fois théoriquement et expérimentalement", explique l'auteur principal Ryotaro Arita. "Cependant, le mécanisme microscopique exact à l'origine de la transition reste encore un sujet de débat."

Pour faire la lumière sur ce mystère, l’équipe de l’ISSP a utilisé un dispositif expérimental innovant appelé spectroscopie de photoémission résolue en temps. Cette technique leur a permis de suivre les changements dans la structure électronique du VO2 au fur et à mesure de son passage à l'IMT, avec une résolution temporelle sans précédent.

Leurs expériences ont révélé que l’IMT dans VO2 est pilotée par une interaction complexe entre les spins électroniques, la charge et les vibrations du réseau. Les résultats suggèrent que les spins des électrons jouent un rôle crucial dans le processus et que la transition implique une interaction subtile entre différentes bandes électroniques.

"Nos résultats fournissent de nouvelles informations sur les mécanismes fondamentaux qui sous-tendent la transition isolant-métal dans VO2 et ouvrent de nouvelles possibilités pour explorer et contrôler ce phénomène fascinant dans d'autres matériaux quantiques", explique Arita.

Ces travaux, publiés dans Nature Communications, ouvrent la voie à de nouvelles recherches sur la physique des IMT et pourraient conduire au développement de nouveaux dispositifs électroniques basés sur des matériaux quantiques.