transition métal-isolant

Une fine couche mince de nickelate de néodyme, épaisse de quinze nanomètres, repose sur un substrat de gallate de néodyme. En dessous de cent quatre-vingts kelvins, elle se comporte comme un isolant : les électrons sont enfermés dans leurs cellules atomiques et ne peuvent pas se déplacer librement.

Une fine couche mince de nickelate de néodyme, épaisse de quinze nanomètres, repose sur un substrat de gallate de néodyme. En dessous de cent quatre-vingts kelvins, elle se comporte comme un isolant : les électrons sont enfermés dans leurs cellules atomiques et ne peuvent pas se déplacer librement.

Dans la chambre sombre du piège, des milliers de particules chargées dansent sous l'effet des champs électriques. Au début, elles se déplacent librement, comme une foule sur une place, mais dès qu'on refroidit le nuage, la danse ralentit : les ions commencent à se sentir mutuellement, leurs pas deviennent contraints.

Un orchestre gelé où les musiciens changent de place quand le chef d'orchestre, le magnétisme, donne une nouvelle partition. Dans un cristal de spinelle, les atomes de fer et de magnésium occupent deux types de sièges : les uns sont entourés de quatre voisins, les autres de six.

L'échafaudage magnétique du cristal EuMnSb2 évoque un chantier : les atomes de manganèse forment des poteaux verticaux rigides, et ceux d'europium des traverses mobiles. Jusqu'à présent, aucun consensus n'existait sur l'angle d'inclinaison de ces traverses au repos ni sur leur rotation lorsque le champ magnétique appuie sur l'échafaudage.

Si l'on fait passer un courant dans deux conducteurs soudés ensemble, le point de soudure se réchauffe ou se refroidit : c'est l'effet Peltier, utilisé dans les réfrigérateurs de voiture.

L'interrupteur clique, la lumière s'allume. Mais il existe des interrupteurs qui, pour une même pression, peuvent allumer la lampe ou laisser la pièce dans le noir. Ils se souviennent aussi de ce qu'ils ont fait la dernière fois, et parfois ils semblent lancer une pièce pour décider d'allumer ou non.

Une autoroute où les flux opposés sont séparés non seulement par des côtés différents, mais par deux routes indépendantes — chacune avec sa propre entrée et sortie. C'est un peu ce qui se passe avec les électrons dans un nouveau type d'isolant topologique décrit par les auteurs de l'étude.

Le cristal en couches La₃Ni₂O₇ sous pression se comporte comme un orchestre où le chef change le volume des différents groupes d'instruments. Sous compression, les sauts d'électrons entre les couches augmentent — on pourrait penser que cela renforce la supraconductivité. Mais en même temps, une partie des électrons devient trop mobile.

Dans un cristal bidimensionnel de diséléniure de tungstène (WSe₂), la lumière crée des paires — un électron et un trou — qui restent liés. Ces paires sont appelées excitons. Parmi elles, certaines sont « sombres » : elles n'émettent presque pas, mais ce sont elles qui donnent le ton à basse température.

D'ordinaire, la lumière ne fait pas d'un isolant un conducteur – il faut de puissantes impulsions laser qui brisent la structure du matériau. Mais dans le graphène bicouche torsadé à angle magique, tout est différent.

Des cristaux collés à l'extérieur et à l'intérieur d'une paroi métallique agissent comme un canal invisible. L'un, recevant du courant, se met à vibrer, et ces vibrations, telles des ondulations à la surface de l'eau, se propagent dans toutes les directions à travers le métal.

Certains cristaux se comportent comme un interrupteur : un léger changement de température ou de pression, et les voilà qui passent de conducteur à isolant. C'est ce qu'on appelle la transition métal-isolant (un changement de la capacité à conduire le courant).

La spintronique promet de transmettre l'information non par la charge mais par le spin, débarrassant la microélectronique de son ennemi principal : la chaleur de Joule.

Deux fines couches de semi-conducteur ont été tournées l'une par rapport à l'autre de 2,29 degrés — comme deux feuilles de papier transparent sur lesquelles on aurait dessiné des grilles. Là où les lignes coïncident presque, un grand motif de taches sombres et claires apparaît. Les électrons dans ce motif se comportent très différemment de ceux d'un cristal ordinaire.

Une barre métallique chauffée devient soudainement rigide et perd ou gagne des propriétés magnétiques. Dans les alliages à base de nickel et de manganèse, ces transformations ne se produisent pas progressivement mais par sauts : les atomes se réorganisent dans un nouvel ordre et le matériau change de comportement.

Deux feuilles de semi-conducteur aussi fines que du papier sont superposées et légèrement tournées — de trois à quatre degrés environ. Les réseaux atomiques ne coïncident pas, et un motif de grande taille apparaît — un moiré, semblable aux ondulations produites par deux planches à laver décalées d'un petit angle.

Deux feuilles de papier superposées, lorsqu'on les chauffe, commencent à ramper imperceptiblement l'une sur l'autre. C'est à peu près ce que font les couches de disulfure de molybdène, un matériau d'un atome d'épaisseur. À température ambiante, elles glissent spontanément à une vitesse d'environ un mètre par seconde.

Une batterie lithium-ion ressemble à un immeuble de plusieurs étages, où des ions lithium habitent à chaque étage. Lorsqu'on charge la batterie, les ions déménagent d'un étage à l'autre, et tout l'immeuble chauffe un peu. Normalement, cette chaleur se dissipe uniformément, comme un plancher chauffant.

Un memristor est une résistance à mémoire : après coupure du courant, il conserve sa résistance. À l'intérieur, une fine couche d'oxyde métallique est prise en sandwich entre deux électrodes métalliques.

Dans un morceau solide d'alliage d'étain et de plomb, les couches des deux métaux sont empilées comme les pages d'un livre. Lorsqu'on chauffe par un côté, les couches ne fondent pas uniformément, mais en formant des langues et des doigts capricieux.

Un supraconducteur est un matériau qui, lorsqu'il est fortement refroidi, perd sa résistance électrique : le courant le traverse sans perte. Des scientifiques ont pris un cristal stratifié de PdTe2, semblable à une pile de feuilles de papier, et l'ont refroidi à une température inférieure à 1,8 kelvin (soit environ -271°C).

Un transistor classique dans un téléphone est fabriqué dans une chambre à vide, où les atomes se déposent couche par couche. C'est cher et long. Mais l'oxyde d'indium peut s'imprimer comme de l'encre — à partir d'une goutte de métal liquide qui, à l'air libre, se recouvre spontanément d'une fine pellicule d'oxyde. Les auteurs ont pris de l'indium, l'ont fondu et l'ont étalé sur un substrat à 250 degrés.

La chaleur traverse la matière comme l'eau dans des tuyaux : parfois vite, parfois à peine. Les ingénieurs recherchent des matériaux qui laissent passer très peu de chaleur — comme des tuyaux bouchés. Ces isolants sont essentiels pour économiser l'énergie et pour les dispositifs qui transforment la chaleur en électricité.

Dans un cristal isolant, la chaleur se propage généralement de l'extrémité chaude vers l'extrémité froide. Mais si l'on active un champ magnétique, une partie du flux thermique dévie sur le côté — comme l'eau qui, en dévalant une pente, est légèrement poussée latéralement par le vent. Ce comportement est appelé effet Hall thermique.

Si l'on pousse de la chaleur à travers un morceau de quartz, elle va généralement tout droit, comme l'eau dans un tuyau. Mais dès que l'on active un champ magnétique, le flux dévie légèrement sur le côté — comme si le tuyau avait soudainement une dérivation latérale.

Deux voitures identiques sortent de la même chaîne de montage. Carrosserie, roues, volant : tout est identique. Seule différence : l'une est équipée d'un moteur à essence classique, l'autre d'un moteur hybride que l'on peut ajuster en fonction de la route. Et voilà que l'hybride cale au bout de deux kilomètres, tandis que l'essence roule des dizaines de kilomètres.

Une feuille de graphène d'un atome d'épaisseur, c'est comme un treillis métallique flexible sur lequel les électrons se déplacent presque sans obstacle. Empilez deux de ces feuilles avec un léger décalage, et les propriétés du matériau changent radicalement : il peut devenir un isolant qui ne laisse pas passer le courant.

Une fine pellicule d'oxyde de nickel, épaisse de quelques dizaines de nanomètres, est comme une feuille de papier pliée des centaines de fois. À température ambiante, elle conduit l'électricité, mais il suffit de la refroidir légèrement pour qu'elle devienne isolante.

Le cristal modifie sa géométrie interne, comme la charpente d'un bâtiment qui se déforme légèrement lors d'un tremblement de terre.

Une goutte de métal liquide glisse dans un canal étroit, comme le mercure d'un thermomètre cassé. Pas besoin de moteur : le carburant, c'est une réaction chimique avec le liquide environnant. Mais que se passe-t-il quand la goutte bute contre une paroi ?

Le cristal Pr₄Ni₃O₁₀ est structuré comme un sandwich à trois étages : les couches d'oxyde de nickel sont séparées par des intercalaires de praséodyme. Lors du refroidissement, trois régimes magnétiques s'activent successivement — comme si, à l'intérieur du sandwich, les spins du nickel s'alignaient d'abord, puis se réorganisaient légèrement, avant que les spins du praséodyme ne s'y joignent.

La soudure classique ne convient pas aux circuits quantiques : lorsqu'on refroidit à la température de l'hélium liquide, le métal se fissure, et les contacts eux-mêmes introduisent du bruit.

Le cristal d'oxyde d'osmium OsO₂ ressemble à un adolescent têtu : dans des conditions normales, il se comporte comme un métal ordinaire, mais il suffit d'appuyer plus fort pour que le caractère change.

Un supraconducteur conduit le courant sans perte, comme une route parfaitement lisse sur laquelle les voitures roulent sans frottement. Mais que se passe-t-il si l'on parsème la route de cailloux et de nids-de-poule ? Des scientifiques ont décidé de le vérifier en ajoutant du désordre à un matériau supraconducteur d'un atome d'épaisseur.

Un fil très fin fait d'un matériau spécial — l'isolant topologique — se comporte comme une rue en ville : l'intérieur est vide, et tout le trafic se fait sur les bords. Les électrons dans un tel fil ne se déplacent que sur la surface, comme des piétons sur le trottoir, sans s'aventurer sur la chaussée.

Un fil ordinaire chauffe quand le courant le traverse. Un supraconducteur, non. Mais presque tous les supraconducteurs connus fonctionnent soit à très basse température, soit sous une pression énorme, comme dans les entrailles des planètes. Les scientifiques cherchent depuis longtemps un matériau qui évite ces extrêmes.

Bien sous nos pieds, à des centaines de kilomètres de profondeur, se trouve une couche capable d'absorber l'eau comme une éponge. Les minéraux qui s'y trouvent — la wadsleyite et la ringwoodite — peuvent retenir jusqu'à 1 à 2 % de leur poids en eau dans leur réseau cristallin.

Une fine couche du composé de manganèse, de bismuth et de tellure ressemble à un gâteau en couches : chaque couche est un plan atomique, et les moments magnétiques à l'intérieur de la couche sont alignés comme des aiguilles de boussoles.

Des physiciens ont construit une chaîne d'atomes de Rydberg — des atomes dont les électrons occupent des orbites énormes, comparables à des trajectoires planétaires. Ces atomes géants sont très sensibles à leurs voisins, transformant la chaîne en un analogue quantique d'une corde.