Aujourd'hui, une équipe de chercheurs du Laboratoire national des accélérateurs SLAC du Département de l'énergie et de l'Université de Stanford a utilisé une puissante technique de diffusion des rayons X pour sonder la structure atomique du dioxyde de vanadium pendant cette transition. Leurs découvertes, publiées dans Nature Materials, révèlent une nouvelle compréhension de la façon dont les atomes du matériau se réorganisent lorsqu'il change d'état et pourraient aider les scientifiques à concevoir des matériaux dotés de propriétés similaires pour des applications spécifiques.
"Le dioxyde de vanadium est un matériau passionnant en raison de son potentiel d'application, mais son comportement reste un casse-tête", a déclaré Giulia Mancini, scientifique du SLAC, qui a dirigé l'étude. "Nous voulions comprendre pourquoi il passe d'un métal à un isolant et quels sont les mécanismes atomiques à l'origine de ce changement."
Lorsqu’il est chauffé au-dessus d’une certaine température, le dioxyde de vanadium subit une transformation structurelle au cours de laquelle les atomes de son réseau cristallin se réorganisent soudainement. Ce changement fait perdre au matériau ses propriétés métalliques et devient un isolant, ce qui signifie qu’il ne conduit plus bien l’électricité.
Les chercheurs ont utilisé la source de lumière cohérente Linac (LCLS) du SLAC, un laser à électrons libres qui produit des impulsions de rayons X extrêmement intenses, pour étudier la structure atomique du dioxyde de vanadium lors de cette transition. En tirant ces impulsions sur des échantillons de matériau, ils pourraient capturer des instantanés des positions atomiques avec des détails sans précédent.
Leurs résultats ont montré que le réarrangement implique un changement subtil dans l’inclinaison des octaèdres vanadium-oxygène, qui sont les éléments constitutifs du réseau cristallin. Ce petit ajustement provoque une modification des propriétés électroniques du matériau, conduisant au passage du métal à l’isolant.
"À notre grande surprise, nous avons observé une nouvelle phase intermédiaire dans la transition du matériau", a déclaré l'auteur principal Yixi Xu, chercheur postdoctoral à Stanford. "Cette phase pourrait être un facteur clé dans la compréhension de la physique sous-jacente et pourrait nous aider à concevoir des matériaux présentant des transformations réversibles similaires pour des applications technologiques."
L’équipe de recherche prévoit d’étudier plus en détail cette phase intermédiaire et d’explorer comment elle pourrait être contrôlée et utilisée dans les futurs matériaux destinés aux appareils électroniques.
L'étude a été financée par le Bureau des sciences du DOE, le centre LCLS du SLAC et la National Science Foundation.
