La plupart des matériaux sont soit des conducteurs, à travers lesquels les électrons peuvent facilement se déplacer, soit des isolants, dans lesquels les électrons sont maintenus immobiles par la structure rigide de leurs atomes. Cependant, une classe de composés appelés isolants Mott présente un changement radical de comportement lorsqu’ils sont irradiés par la lumière. Lorsque ces matériaux absorbent suffisamment d’énergie, ils se transforment rapidement en un état conducteur, qui peut persister même lorsque la lumière est éteinte.
Cette transformation, connue sous le nom de transition isolant-métal (IMT), est le phénomène central d’un certain nombre de systèmes fascinants et technologiquement importants. Par exemple, le développement de dispositifs électroniques avancés dépend du contrôle de cette transition, ce qui pourrait permettre la création de dispositifs commutant plus rapidement, consommant moins d’énergie et fonctionnant à des températures plus élevées que les semi-conducteurs conventionnels.
Cependant, les mécanismes microscopiques qui sous-tendent l’IMT restent insaisissables, en partie à cause de la nature complexe des interactions électroniques impliquées. Une théorie importante prédit que la transition se produit par un processus coopératif entre les électrons et les vibrations du réseau, dans lequel les électrons créent d’abord des distorsions dans le réseau cristallin, puis ces distorsions du réseau ouvrent de nouvelles voies permettant aux électrons de se déplacer, conduisant à l’état métallique.
Cette équipe de recherche a réalisé des études détaillées de l'IMT dans un isolant prototype de Mott, le dioxyde de vanadium (VO2), en utilisant une configuration expérimentale unique qui combine l'excitation optique femtoseconde à la source de lumière avancée avec la nano-imagerie résolue en temps à l'Institut Max Planck pour Recherche sur l'état solide. Cette configuration leur permet de cartographier simultanément l’évolution de la dynamique électronique et du réseau dans VO2 avec une résolution spatiale et temporelle sans précédent.
Les chercheurs ont découvert que la transition isolant-métal dans VO2 se produit par une transformation non uniforme. Au lieu de se déplacer partout en même temps, ils ont découvert que la phase métallique se nuclée à des « points chauds » spécifiques, puis se développe et fusionne pour former des filaments métalliques qui finissent par recouvrir tout le matériau.
Les observations à haute résolution ont permis à l'équipe de relier ces événements de nucléation à des défauts et des inhomogénéités de la structure cristalline. Ils ont également constaté que l’IMT est extrêmement sensible à la température du réseau du matériau.
Ces résultats fournissent des informations cruciales sur la physique microscopique de la transition isolant-métal et ouvrent la voie à la compréhension et, à terme, au contrôle de ce phénomène à l’échelle nanométrique, ce qui sera crucial pour la conception et le développement de futurs dispositifs électroniques.
