Dans les matériaux corrélés, la transition métal-isolant s'accompagne souvent d'un changement de symétrie cristalline. Pour NdNiO3, un refroidissement sous 180 K fait passer le matériau d'un métal paramagnétique à réseau orthorhombique à un isolant antiferromagnétique à réseau monoclinique. La question de savoir si le lien entre ordre électronique et symétrie structurale subsiste lors d'une excitation optique ultrarapide restait ouverte. Ce travail s'inscrit dans la lignée des études sur les phases photo-induites dans les nickelates, où les réponses électroniques et structurales sont habituellement mesurées dans des expériences séparées, ce qui complique la comparaison directe.
Les auteurs ont utilisé une fine couche mince de NdNiO3 d'environ 15 nm déposée sur un substrat de NdGaO3. L'échantillon était excité par des impulsions laser d'énergie de photon 1.55 eV et de durée d'environ 30 fs. On enregistrait simultanément la réflexion linéaire de l'impulsion sonde (0.95 eV) et l'intensité de la seconde harmonique (1.9 eV), sensible à la rupture de la symétrie d'inversion en surface. La dépendance de la seconde harmonique à la polarisation a été mesurée à différentes températures et différents délais temporels. Un paramètre de « monoclinicité » a été introduit pour quantifier l'écart de la dépendance à la polarisation par rapport à la symétrie orthorhombique.
À forte densité d'énergie d'excitation (2.9 mJ/cm²), la réflexion chute de 2.3% en un temps limité par la résolution du dispositif (45 fs), ce qui indique une transition rapide vers l'état métallique. La monoclinicité évolue avec un retard d'environ 40 fs et beaucoup plus lentement : même après 225 fs, elle n'atteint pas le niveau de la phase de haute température. À une densité d'énergie intermédiaire de 0.64 mJ/cm², la réflexion atteint une valeur métallique stationnaire, tandis que l'intensité de la seconde harmonique se rétablit presque entièrement, ce qui traduit le maintien de la symétrie monoclinique. L'amplitude de la variation de réflexion sature au-delà de 0.6 mJ/cm², alors que l'amplitude de la seconde harmonique continue de croître linéairement, et la restauration complète de la symétrie orthorhombique n'est atteinte qu'à 2.3 mJ/cm².
Ce travail montre que l'état métallique peut exister sans restauration de la symétrie de réseau de haute température. Autrement dit, la rupture de symétrie n'est pas en soi une condition suffisante pour l'état isolant. La mesure simultanée de plusieurs paramètres d'ordre dans une même expérience lève l'incertitude liée aux conditions différentes d'essais séparés et ouvre la voie à une identification fiable des phases hors équilibre dans les matériaux corrélés.
Les recherches à venir pourront porter sur l'étude de la structure magnétique du métal monoclinique induit optiquement et sur la recherche d'états analogues dans d'autres nickelates et oxydes corrélés. Le recours à des méthodes résolues en temps, comme la diffusion résonante des rayons X, permettrait d'observer directement l'ordre des degrés de liberté de charge et de spin.
Ces résultats comptent pour la physique des systèmes électroniques fortement corrélés et pour la conception de dispositifs fondés sur les transitions métal-isolant, où le contrôle de la phase par la lumière pourrait servir à une commutation ultrarapide.
Vérifier la stabilité du métal monoclinique sur des durées plus longues et à différentes températures. Étudier l'influence de la déformation épitaxiale et du dopage chimique sur le seuil de découplage entre symétrie et conductivité.
En physique de la matière condensée, la question reste ouverte du jeu minimal de paramètres d'ordre nécessaire pour décrire la transition métal-isolant dans les oxydes corrélés. Ce travail montre que les sous-systèmes électronique et structural peuvent évoluer indépendamment, ce qui impose de revoir les modèles simplifiés à couplage rigide des ordres.
La température de transition dans NdNiO3 est d'environ 180 K, soit à peine au-dessus de la température d'ébullition de l'azote liquide (77 K) : un cryostat standard suffit donc pour observer l'effet.
L'idée d'un matériau qui change de conductivité tout en conservant sa structure cristalline rappelle le concept de « transitions de phase sans changement de forme » de la science-fiction, par exemple dans le roman d'Isaac Asimov « Les Dieux eux-mêmes », où une substance peut passer dans un état aux propriétés différentes sans modification visible.