Observer la transition isolant-conducteur aux rayons X

9 mars 2010


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Certains isolants électriques deviennent soudainement métalliques lorsqu’ils sont soumis à de petits changements de pression ou de température, ou lorsque l’on modifie légèrement leur composition chimique en ajoutant quelques impuretés. C’est ainsi que l’on obtient des matériaux aux propriétés particulièrement intéressantes : supraconductivité, grande sensibilité de la résistance au champ magnétique, … Il était jusqu’à présent communément admis que ces divers modes d’action sur le matériau conduisaient au même résultat final : une transition d’un état isolant à un état conducteur appelée transition de Mott-Hubbard. Une collaboration de physiciens du Laboratoire de Physique des Solides d’Orsay et du synchrotron SOLEIL, vient de montrer que ce n’est pas le cas : la structure électronique du métal obtenu dépend du mode d’obtention. Ce résultat est publié dans la revue Physical Review Letters.

Pour réaliser ce travail, les physiciens ont étudié comment les propriétés électroniques d’échantillons d’oxyde de vanadium V₂O₃ sont modifiées par des changements de pression ou de température, ou lorsque l’on dope le matériau en remplaçant quelques atomes de Vanadium par des atomes de chrome. L’analyse du phénomène est particulièrement délicate car dans ce type de matériaux, l’effet des électrons les uns sur les autres est particulièrement marqué. Des mesures extrêmement fines sont indispensables. Grâce à une nouvelle méthode d’analyse des spectres d’absorption des rayons X, développée par une équipe de théoriciens de Vienne et Stuttgart, les physiciens ont analysé comment les perturbations affectent l’occupation des orbitales électroniques impliquées dans la transition isolant-conducteur. La conclusion est la suivante : la température affecte la distribution des électrons entre les différents niveaux d’énergie du matériau, tandis que la pression change la forme de ces niveaux, et le dopage modifie le nombre total d’électrons présents. Le fait que l’application d’une pression externe et le dopage (normalement considérés équivalents dans la physique des systèmes fortement corrélés) donnent deux structures électroniques non équivalentes est un résultat particulièrement intéressant, qui pourrait avoir des implications importantes notamment pour les matériaux supraconducteurs à haute température.


Figure 1: Une pression appliquée avec des enclumes diamants modifie la forme des orbitales électroniques et peut produire des résultats surprenants dans les matériaux fortement corrélés.

En savoir plus

Inequilavent routes across the Mott transition in V₂O₃ explored by X-ray absorption, F. Rodolakis^1,2, P. Hansmann^3,4, J.-P. Rueff^2,5, A. Toschi³, M. W. Haverkort⁴, G. Sangiovanni³, A. Tanaka⁶, T. Saha-Dasgupta⁷, O. K. Andersen⁴, K. Held³, M. Sikora⁸, I. Alliot^8,9, J.-P. Itié², F. Baudelet², P. Wzietek¹, P. Metcalf¹⁰, and M. Marsi¹, Phys. Rev. Lett. 104, 047401 (2010).