La route atomique de la transition isolant-métal sous choc lumineux
La caméra ne filme pas une course, mais une danse d'atomes. Dans le dioxyde de vanadium, la transition de l'état isolant à l'état métallique se produit en quelques trillionèmes de seconde, mais jusqu'à présent, personne n'avait vu comment les atomes de vanadium et d'oxygène se déplacent exactement. Désormais, la diffraction électronique ultrarapide a capturé cette trajectoire image par image.
L'expérience ressemble au tournage d'une danse rapide sous différents angles. Un cristal de VO₂ d'environ 100 nanomètres d'épaisseur a été excité par des impulsions laser de 300 femtosecondes, puis sondé par des impulsions électroniques de 1,5 picoseconde. Le cristal a été incliné sous différents angles, collectant des centaines de taches de diffraction qui se sont combinées en une image tridimensionnelle complète. À partir de ces données, les coordonnées de tous les atomes ont été reconstruites à chaque instant.
La grande surprise : la bande interdite dans les énergies électroniques ne disparaît pas à cause du déplacement de l'ensemble du réseau, mais à cause de la rupture de l'appariement des atomes de vanadium. Les calculs ont montré que si l'on ne conserve que le déplacement du réseau, le matériau est déjà métallique, mais si l'on maintient l'appariement, la bande interdite subsiste. Cela modifie les conceptions antérieures du mécanisme de transition.
Cette approche transforme la diffraction, qui n'observait que des pics isolés, en une véritable cristallographie des phases instables. La méthode peut être appliquée à d'autres oxydes et matériaux où la lumière contrôle les transitions de phase, ce qui est important pour le développement de commutateurs ultrarapides et de dispositifs de mémoire.
La caméra s'est arrêtée, et la danse des atomes est devenue claire : ils suivent une ligne droite, et la musique de la bande interdite se tait lorsque les paires de vanadium se dissocient. Cette trajectoire peut désormais servir de référence pour d'autres matériaux.
Le dioxyde de vanadium passe à l'état métallique à une température d'environ 340 K, ce qui n'est que légèrement supérieur à la température ambiante. C'est pourquoi il est utilisé dans les fenêtres intelligentes qui commencent à réfléchir le rayonnement infrarouge lorsqu'elles chauffent.