Observation de la manière dont la lumière transforme un métal : de nouveaux détails sur la transition de l’isolant au métal dans un matériau quantique

D’une simple pression sur un interrupteur, les matériaux quantiques peuvent subir des changements radicaux. Un exemple notable est la transition isolant-métal, un phénomène physique réversible au cours duquel un matériau passe d’un état isolant, qui ne conduit pas l’électricité, à un état métallique, qui le fait.

La transition peut être incroyablement rapide, une propriété attrayante pour les applications émergentes, notamment les appareils électroniques et optiques ultra-rapides, les ordinateurs neuromorphiques inspirés du cerveau et les fenêtres intelligentes économes en énergie qui peuvent ajuster leur transparence en réponse aux changements des conditions extérieures.

Bien que des transitions rapides d’isolant à métal aient été documentées dans de nombreux matériaux, la manière dont elles se déroulent au fil du temps est beaucoup moins bien comprise, car la combinaison d’une petite taille et d’une vitesse rapide rendait la transition difficile à observer avec les techniques expérimentales disponibles auparavant.

Dans une nouvelle recherche publiée dans Lettres d’examen physiqueune équipe dirigée par des physiciens de Columbia a utilisé un microscope ultra-rapide pour capturer la dynamique de la transition isolant-métal dans un matériau appelé dioxyde de vanadium (VO₂) à une résolution temporelle et spatiale jusqu’alors inaccessible.

« Malgré les échelles de longueur extrêmement petites et les échelles de temps rapides impliquées, nous sommes désormais en mesure d’enregistrer des « films » de transitions de phase se développant dans des matériaux quantiques dans l’espace réel et en temps réel », a déclaré le premier auteur Aaron Sternbach, ancien doctorant en physique de Columbia et postdoctorant qui est maintenant professeur adjoint étudiant les matériaux quantiques à commande optique à l’Université du Maryland.

VO₂ Le métal peut passer d’un isolant à un métal à une température proche de la température ambiante, ce qui en fait un candidat prometteur pour des applications pratiques en technologie. L’un des déclencheurs de cette transition est la lumière, dont Sternbach et ses collègues ont montré qu’elle ne se produit pas instantanément. Ils ont plutôt découvert que la transition se produit par la formation de minuscules zones de métal qui se développent et fusionnent ensuite de manière non uniforme dans l’échantillon, bien que cela ne prenne que quelques trillionnièmes de seconde.

Les films enregistrés par Sternbach et ses collègues avec leur dispositif expérimental leur ont permis de visualiser la transition isolant-métal se développant dans des régions sélectionnées et se développant dans tout l’échantillon.

« Il est souhaitable de réaliser la transition de phase avec la plus petite quantité d’énergie possible », explique-t-il. « Cependant, lorsqu’un minimum d’énergie est utilisé, le métal se forme plus efficacement dans de minuscules régions de l’échantillon. C’est très intéressant de voir que nous pouvons maintenant observer ce phénomène. »

Andrew Millis, co-auteur de l’étude et physicien théoricien à Columbia, a déclaré que les résultats étaient enthousiasmants à plusieurs niveaux. « La nouvelle capacité à voir comment se produisent réellement les transitions de l’isolant au métal sera d’une valeur inestimable pour la conception et le prototypage de dispositifs réels », a-t-il déclaré.

« Les résultats obtenus sur ce matériau constituent un défi fascinant pour notre compréhension théorique de la transition, qui jusqu’à présent reposait sur des modèles de matériaux spatialement homogènes. »