Nouvelle étape dans la compréhension de la transition métal-isolant des nickelates
La recherche en physique des matériaux constitue une des pierres angulaires du développement technologique de notre société. Tout comme une meilleure compréhension du mode d’action de la COVID-19 nous apparaît actuellement comme un préalable indispensable au développement de traitements et vaccins efficaces, la compréhension à l’échelle atomique des phénomènes prenant naissance au cœur des matériaux constitue une étape indispensable à l’utilisation ultérieure de ceux-ci dans des dispositifs innovants et pratiques. C’est dans ce contexte que Yajun Zhang, Alain Mercy et Philippe Ghosez, du service de Physique Théorique des Matériaux de l’UR CESAM (Université de Liège), viennent de faire une découverte importante.
C
ertains oxydes complexes appelés nickelates – de formule chimique RNiO3, où R est un atome de la famille des terres rares – cristallisent sous la forme d’une structure perovskite et ont la propriété singulière de pouvoir passer, de manière abrupte et spontanée, de l’état d’isolant à celui de conducteur électrique à une température caractéristique, TMIT, pouvant varier de 0 à 600 Kelvin selon le composé. Synthétisés pour la première fois en 1971, ces matériaux ont depuis généré un intérêt croissant mais l’origine de leur comportement inédit reste à ce jour encore largement débattue.
En 2017, Alain Mercy, Jordan Bieder et Philippe Ghosez, de l’UR CESAM, avaient déjà mis en évidence [1], sur base de calculs ab initio (une approche théorique complexe, basée sur les équations de la mécanique quantique et de l’électromagnétisme), que la transition de phase des nickelates s’apparente à une transition dite de «Peierls » mais d’un nouveau type dans la mesure où elle est induite par la rotation des cages d’oxygènes inhérente à de tels composés de structure perovskite.
En collaboration avec des expérimentateurs de l’Université de Twente, ils ont ensuite pu confirmer le bien-fondé de cette théorie et son utilité pratique pour moduler la température de transition en agissant directement sur l’amplitude de rotation des cages d’oxygènes [2].
Plus récemment, Yajun Zhang, Alain Mercy et Philippe Ghosez ont étudié le comportement de nanostructures artificielles alternant des couches de composés nickelates présentant des températures de transition distinctes. Dans un travail réalisé en collaboration avec des chercheurs de l’Université de Genève, de l’EPFL et du Flatiron Institute de New York, ils ont pu mettre en évidence que la portée de la transition métal-isolant de ces composés est contrôlée par une énergie d’interface importante entre la phase isolante et la phase métallique, la portée de cet effet étant bien supérieure à celle du couplage structural entre les phases. Cette découverte, récemment publiée dans la revue Nature Materials [3], constitue une nouvelle étape importante en vue d’exploiter ces composés au sein de dispositifs fonctionnant autour de la température ambiante.
Références
[1] Structurally triggered metal-insulator transition in rare-earth nickelates. A. Mercy, J. Bieder, J. Iniguez and Ph. Ghosez, Nature Communications 8, 1677 (2017).
[2] Geometric design of metal-insulator transitions in perovskite nickelates for room-temperature optical switching. Z. Liao, N. Gauquelin, R. J. Green, K. Müller-Kaspary, I. Lobato, L. Li, S. Van Aert, J. Verbeeck, M. Huijben, M. N. Grisola, V. Rouco, R. El Hage, J. E. Villegas, A. Mercy, M. Bibes, Ph. Ghosez, G. A. Sawatzky, G. Rijnders and G. Koster, PNAS 115, 9515(2018).
[3] Length-scales of interfacial coupling between metal-insulator phases in oxides. C. Dominguez, A.B. Georgescu, B. Mundet, Y. Zhang, J. Fowlie, A. Mercy, S. Catalano, T. Duncan, T.L. Alexander, Ph. Ghosez, A. Georges, A. Millis, M. Gibert and J.-M. Triscone, Nature Materials (2020)
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Figures
Figure 2 – La compréhension à l’échelle atomique des couplages pouvant exister entre les différents degrés de liberté électroniques et structuraux au sein des matériaux constitue une étape indispensable à l’utilisation ultérieure de ceux-ci dans des dispositifs innovants et pratiques.
