Des chercheurs dirigés par Cornell ont découvert un phénomène inhabituel dans un matériau isolant métallique, fournissant des informations précieuses pour la conception de matériaux dotés de nouvelles propriétés grâce à une commutation plus rapide entre les états de la matière.
Les isolants Mott sont une famille de matériaux dotés de propriétés électroniques uniques, notamment celles qui peuvent être manipulées par des stimuli tels que la lumière. L'origine de ces propriétés uniques n'est pas entièrement comprise, en partie à cause de la tâche difficile consistant à imager les nanostructures du matériau dans l'espace réel et à capturer comment ces structures subissent des changements de phase aussi rapidement qu'un billionième de seconde.
Une nouvelle étude publiée dans Nature Physics a dévoilé la physique de l'isolant Mott, Ca2 RuO4 , car il a été stimulé par un laser. Avec des détails sans précédent, les chercheurs ont observé les interactions entre les électrons du matériau et la structure de réseau sous-jacente, en utilisant des impulsions de rayons X ultrarapides pour capturer des « instantanés » des changements structurels dans le Ca2. RuO4 dans les picosecondes critiques après l'excitation avec le laser.
Les résultats étaient inattendus :les réarrangements électroniques sont généralement plus rapides que ceux en réseau, mais le contraire a été observé dans l'expérience.
"En général, les électrons rapides répondent aux stimuli et entraînent avec eux les atomes les plus lents", a déclaré l'auteur principal Anita Verma, chercheuse postdoctorale en science et ingénierie des matériaux. "Ce que nous avons découvert dans ce travail est inhabituel :les atomes réagissent plus rapidement que les électrons."
Bien que les chercheurs ne sachent pas exactement pourquoi le réseau atomique peut se déplacer si rapidement, une hypothèse est que la nanotexture du matériau lui confère des points de nucléation qui aident à réorganiser le réseau, de la même manière que la glace surfondue commence à se former plus rapidement autour d'une impureté dans l'eau.
La recherche s'appuie sur un article de 2023 dans lequel Andrej Singer, auteur principal et professeur adjoint en science et ingénierie des matériaux, et d'autres scientifiques ont utilisé des rayons X de haute puissance, des algorithmes de récupération de phase et l'apprentissage automatique pour obtenir une visualisation dans l'espace réel du même matériau à l'échelle nanométrique.
"La combinaison des deux expériences nous a permis de comprendre que dans certains matériaux comme celui-ci, nous pouvons changer de phase très rapidement, de l'ordre de 100 fois plus vite que dans d'autres matériaux qui n'ont pas cette texture", a déclaré Singer. "Nous espérons que cet effet constituera une voie générale pour accélérer la transition et aboutir à des applications intéressantes à l'avenir."
Singer a déclaré que dans certains isolants Mott, les applications incluent le développement de matériaux transparents dans leur état isolant, puis devenant rapidement opaques une fois excités dans leur état métallique. La physique sous-jacente pourrait également avoir des implications pour une électronique future plus rapide.
Le groupe de recherche de Singer prévoit de continuer à utiliser les mêmes techniques d'imagerie pour étudier de nouvelles phases de la matière créées lorsque des films minces nanotexturés sont excités par des stimuli externes.
Plus d'informations : Anita Verma et al, L'expansion du volume picoseconde entraîne une transition isolant-métal ultérieure dans un isolant Mott nano-texturé, Nature Physics (2024). DOI : 10.1038/s41567-024-02396-1
Informations sur le journal : Physique de la nature
Fourni par l'Université Cornell
