Sujet :

le passage isolant / conducteur et ses conditions

Xuan
   Posté le 24-08-2020 à 20:11:08   
Un effet physique inédit dans un nouveau matériau artificiel


https://www.techno-science.net/actualite/effet-physique-inedit-nouveau-materiau-artificiel-N19897.html
Publié par Adrien le 24/08/2020 à 09:00
Source: Université de Genève

La découverte d'un effet physique inédit dans un nouveau matériau artificiel pose un jalon important dans le long processus de développement de matériaux "sur commande" et d'une électronique plus économe en énergie.


Image obtenue par microscopie électronique en transmission d'une alternance de cinq couches atomiques de nickelate au néodyme (en bleu) et de cinq couches de nickelate au samarium (en jaune). © Bernard Mundet / EPFL.

L'électronique est omniprésente. Les transistors font fonctionner les téléphones, les ordinateurs, les télévisions, les chaînes hifi, les consoles de jeu, les voitures, les avions, etc. Basée sur le silicium, l'électronique actuelle consomme toutefois une part conséquente et sans cesse croissante de l'énergie mondiale.
De nombreux chercheurs explorent les propriétés de matériaux plus complexes que le silicium mais prometteurs pour les dispositifs du futur et moins gourmands en électricité. S'inscrivant dans cette logique, des scientifiques de l'Université de Genève (UNIGE), en collaboration avec l'École polytechnique fédérale de Lausanne (EPFL), l'Université de Zurich, le Flatiron Institute de New York et l'Université de Liège, ont découvert, dans un matériau artificiel constitué de couches très minces de "nickelates", un phénomène physique inédit.
Celui-ci pourrait être exploité pour obtenir un contrôle précis de certaines propriétés électroniques de ce matériau, telles que la transition subite d'un état conducteur à isolant, et développer de nouveaux dispositifs plus économes en énergie. Cette avancée est à lire dans la revue Nature Materials.

"Les nickelate sont connus pour leur particularité de passer subitement d'un état d'isolant à celui de conducteur électrique lorsque leur température passe au-dessus d'un certain seuil, expose Jean-Marc Triscone, professeur au Département de physique de la matière quantique de la Faculté des sciences de l'UNIGE. Cette température de transition varie selon la composition de ce matériau."

Les nickelates sont en effet formés d'un oxyde de nickel additionné d'un atome appartenant aux éléments dits "terres rares" (soit un ensemble de 17 éléments du tableau périodique). Lorsque cette terre rare est le samarium (Sm), par exemple, le saut métal-isolant a lieu aux environs de 130°C, tandis que s'il s'agit du néodyme (Nd), ce seuil descend à -73°C. Cette différence s'explique par le fait que lorsqu'on remplace le Sm par le Nd, on provoque une déformation de la structure cristalline du composé. C'est cette déformation qui contrôle la valeur de cette température de transition.

Afin d'en savoir plus sur ces matériaux, les scientifiques genevois ont étudié des échantillons formés d'une répétition de couches de nickelate au samarium déposées sur des couches de nickelate au néodyme - une sorte de super sandwich où tous les atomes sont parfaitement arrangés.

Comme un matériau unique

"Lorsque les couches sont assez épaisses, elles se comportent de manière indépendante, chacune conservant sa propre température de transition, note Claribel Domínguez, doctorante au Département de physique de la matière quantique et première auteure de l'article. Curieusement, lorsque nous avons affiné les couches jusqu'à ce qu'elles ne dépassent pas huit atomes chacune, l'échantillon entier a commencé à se comporter comme un matériau unique avec un seul saut important de conductivité à une température de transition intermédiaire."

Une analyse très fine au microscope électronique menée à l'EPFL, soutenue par des développements théoriques sophistiqués réalisés par des collègues américains et belges, a montré que des déformations de la structure cristalline apparaissent à l'interface des matériaux mais que celles-ci ne se propagent que sur deux ou trois couches atomiques. Ce n'est donc pas cette distorsion qui peut expliquer le phénomène observé. En réalité, tout se passe comme si les couches les plus éloignées savaient, d'une façon ou d'une autre, qu'elles étaient très proche de l'interface mais sans être physiquement déformées.

Rien de magique

"Il n'y a rien de magique là-dedans, rassure Jennifer Fowlie, chercheuse au Département de physique de la matière quantique et co-auteure de l'article. Notre étude montre que le maintien d'une interface entre une région conductrice et une région isolante, comme c'est le cas dans nos échantillons, est très coûteuse en énergie. Du coup, lorsque les deux couches sont suffisamment fines, elles ont la possibilité d'adopter un comportement beaucoup moins énergivore qui consiste à devenir un matériau unique, soit totalement métallique, soit totalement isolant, et avec une température de transition commune. Et ce, sans changer sa structure cristalline. Ce couplage n'est donc pas magique mais bel et bien inédit."

Cette découverte, réalisée grâce au soutien du Fonds national suisse pour la recherche scientifique et de la bourse européenne ERC Synergy Grant Q-MAC (Frontiers in Quantum Materials' Control), offre une nouvelle façon de contrôler les propriétés des structures électroniques artificielles, dans le cas présent le saut de conductivité obtenu par les chercheuses genevoises dans leur nickelate composite et qui représente un élément important pour le développement de nouveaux dispositifs électroniques. Les nickelates pourraient notamment servir dans des applications telles que les transistors piézo-électriques (réagissant à la pression).

De manière plus générale, les travaux genevois s'inscrivent dans une stratégie consistant à réaliser des matériaux artificiels "par design" ou "sur commande", c'est-à-dire ayant des propriétés répondant à un besoin particulier. Cette route, suivie par de nombreux chercheurs à travers le monde, est prometteuse pour une électronique future économe en énergie.

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Sur la transformation dialectique des conducteurs en isolants et réciproquement, on lira sur le site des Editions Prolétariennes "contrairement à une opinion répandue le soleil brille aussi la nuit" page 106 et 107

"Des conducteurs et des isolants…

On divise les composants électriques élémentaires en conducteurs et en isolants. Cette opposition pratique vaut pour les conditions d'utilisation ordinaires et repose sur la nature de chaque composant, c'est-à-dire principalement sur sa configuration électronique.

Cette configuration, qu'on retrouve dans la table périodique des éléments dite de Mendeleïev, indique la répartition des électrons de chaque atome ou molécule dans ses différentes orbitales. Si la dernière bande est partiellement pleine, cela favorise le gain ou la perte d'un électron de signe négatif, l'atome se transforme en ion négatif ou positif. Cette propriété est à la base des arrangements chimiques et détermine aussi le caractère conducteur ou diélectrique d'un corps.
A l'inverse du conducteur, un diélectrique ne contient pas d'électron mobile parce les bandes d'énergie les plus faibles sont pleines, ce qui ne permet pas le déplacement des charges électriques, qui s'accumulent à ses bornes.

Cette définition absolue du conducteur et de l'isolant devient relative dans des conditions
spécifiques.D'abord parce qu'ils ne sont pas parfaits et contiennent des impuretés, mais aussi parce que leur caractéristique est relative aux conditions dans lesquelles ils se trouvent.

Une résistance peut être considérée comme un conducteur ou un isolant selon sa valeur (un shunt de 0,01 ohm ou l'impédance interne d'un multimètre : 10 ^7 ohms) et le domaine d'utilisation, la tension qui lui est appliquée, l'humidité, etc. et prennent donc selon ces conditions l'aspect principal conducteur ou isolant.

Tous les composants électriques et électroniques, condensateur - résistance - inductance, ont comme tous les corps la propriété de laisser passer le courant électrique et de s'opposer à lui.
Selon leurs caractéristiques internes et des conditions extérieures appropriées, de tension, de fréquence, de géométrie, de température, d'humidité, leur aspect principal sera diélectrique ou isolant.

Le corps humain présente aussi ce double aspect, qu'un chanteur célèbre a mis en évidence lors d'une expérience malheureuse en 1978.
Par exemple certains matériaux pour des températures proches du zéro absolu (-173,15 degrés C) se transforment en supraconducteurs, faisant apparaître de nouvelles lois et de nouvelles contradictions.

Le condensateur est fondamentalement un isolant. Mais l'accumulation des charges opposées à ses bornes lors d'une variation de potentiel électrique provoque dans le circuit un courant tel que le condensateur équivaut à un court-circuit à la mise sous tension. A l'inverse, l'accumulation de ces charges comme dans un réservoir retarde l'interruption du courant à la mise hors tension. On observe dans la vie courante que les appareils comportant un condensateur ne s'éteignent pas instantanément et que la radio marche encore bien que la fiche soit retirée. On dit que le condensateur lisse les variations de tension.

La bobine de l'inductance crée par ses spires un courant opposé à celui qui la parcourt et
provoque un effet inverse au condensateur. Le courant s'établit progressivement et elle génère une surtension instantanée lorsque le courant est interrompu, qui s'oppose à la cause qui lui a donné naissance. "[...]
Xuan
   Posté le 01-02-2021 à 22:45:57   
Ci-dessous un extrait de l'Usine Nouvelle.
Cette découverte remet en cause la définition actuelle de l'atome, composé d'un noyau de protons/neutrons et d'un électron.
Celui-ci pourrait-il se subdiviser lui-même en deux éléments ? Et cette propriété est-elle strictement réservée au matériau examiné, le ditellurure de tungstène ?
(voir ici).
Le ditellurure de tungstène est une terre rare produite essentiellement par la Chine - Plus de 2006% du tungstène produit dans le monde y est fabriqué.

Vers un supraconducteur à température ambiante


L’expérience qui a mené à cette découverte s’intéressait au ditellurure de tungstène (WTe2), un matériau "un peu à part" qui intéresse la communauté scientifique depuis quelques années, explique François Parmentier, chercheur spécialiste du graphène au SPEC, un laboratoire commun CEA-Iramis-CNRS. "Il a un certain nombre de propriétés surprenantes, estime-t-il. Selon les conditions électrostatiques, il peut être soit isolant, soit supraconducteur."

L’expérience visait à étudier le comportement de ce matériau sous forme bidimensionnelle, c’est-à-dire réduit à une feuille d’un atome d’épaisseur. Pour l’anecdote, ce type d’échantillon est obtenu à l’aide d’un simple scotch, utilisé pour exfolier le matériau jusqu’à ce qu’il n’en reste qu’une fine couche. Une méthode pour le moins artisanale, qui a valu en 2010 le prix Nobel de physique à Andre Geim et Konstantin Novoselov, de l’université de Manchester (Royaume-Uni).

Une fois réduits à une feuille d’une extrême finesse, certains matériaux adoptent des caractéristiques nouvelles. "En tournant un bouton, vous pouvez étudier des propriétés électroniques très différents sur un même échantillon" , explique Preden Roulleau, lui aussi chercheur au SPEC. Une avancée encore récente qui participe notamment à accélérer les recherches vers un matériau supraconducteur à température ambiante, au potentiel révolutionnaire.

"La théorie actuelle n’explique pas cet état"

Ainsi, les chercheurs de Princeton ont refroidi leur échantillon à une température extrême, proche du zéro absolu (-273,15° Celsius) avant de l’exposer à un champ magnétique. Des conditions qui font habituellement apparaître – chez les matériaux conducteurs – des oscillations quantiques. Soit un état où les électrons du matériau passent d’un état "normal" à un état quantique, provoquant des oscillations de sa résistance.

Seulement, cet état est habituellement réservé aux métaux conducteurs, dans lequel les électrons sont libres de se déplacer. Et le ditellurure de tungstène, lors de l’expérience, s'avère extrêmement isolant. Pourtant, à ce moment-là, sa résistivité a changé, indiquant des variations de son état … Il se comporte donc en parfait conducteur, soumis à des oscillations quantiques.

"C’est extrêmement surprenant, abonde François Parmentier. Cela soulève beaucoup de questions." Les chercheurs à l’origine de la découverte font désormais face à un nouveau défi : expliquer cet état quantique encore jamais observé. "La physique théorique actuelle n’explique pas cet état, abonde Preden Roulleau. Ce sont des mesures expérimentales qui n’ont pas été démontrées, mais cela risque de secouer la théorie."

"De l’ingénierie au niveau de l’atome"

Dans leur publication, les physiciens américains envisagent déjà une hypothèse : l’existence de nouvelles particules, du même type qu’un électron, mais électriquement neutres. Cela pourrait expliquer les oscillations observées : dans un matériau isolant, les particules chargées négativement ou positivement ne peuvent se déplacer, c’est ce qui empêche la propagation d’un courant. Mais des particules neutres, elles, en auraient la capacité.

Reste que l’existence de ce nouveau genre de particule est complexe à prouver. "Ces modes neutres sont très compliqués à observer" , affirme Preden Roulleau. Pour le duo de chercheurs, qui s’intéresse aux caractéristiques d’un matériau bidimensionnel plus connu que le WTe2, le graphène, cette publication relève dans tous les cas d’un intérêt majeur. "Lorsque l’on sent qu’un matériau a un potentiel important, il faut s’y intéresser" , argue François Parmentier.

Les Français envisagent de se procurer du ditellurure de tungstène pour mener leurs propres expériences. "Il est évident que les matériaux en 2D se retrouveront dans énormément de composants électroniques dans quelques années, rappelle Preden Roulleau. Ce sont des systèmes extrêmement riches, qui permettent de faire de l’ingénierie au niveau de l’atome." Nul doute qu’avec ses propriétés surprenantes, le ditellurure de tungstène trouve sa place dans le domaine.


Edité le 01-02-2021 à 22:46:28 par Xuan

Xuan
   Posté le 31-07-2021 à 00:10:16   
Ici une expérience montre comment un corps isolant se transforme en son contraire dans des conditions appropriées.
Voir les illustrations sur site https://www.futura-sciences.com/sciences/actualites/physique-surprenant-ils-ont-transforme-eau-metal-92751/

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Surprenant : ils ont transformé de l'eau en métal !


Dans des conditions normales de pression et de température, l'eau pure est un isolant presque parfait. On savait qu'elle pouvait se comporter comme un métal conducteur sous une pression extrême telle qu'elle existe par exemple au cœur de Jupiter, mais des physiciens sont arrivés à obtenir le même résultat sur Terre et très simplement, presque dans des conditions ordinaires.

Une équipe internationale de physiciens vient de faire savoir via un article publié dans la célèbre revue Nature, vidéo à l'appui sur YouTube, qu'elle avait réussi à rendre métallique et conductrice de l'eau sans avoir recours à des pressions de l'ordre de celles que l'on trouve à l'intérieur des planètes géantes du Système solaire. Des pressions dont on a de bonnes raisons de penser qu'elles rendent aussi l’hydrogène métallique et conducteur.

Quoi de surprenant se dira le lecteur ou la lectrice, ne sait-on pas depuis longtemps que l'on peut s'électrocuter avec de l'eau ? Sauf que comme d'habitude en science, la réalité n'est pas ce qu'elle paraît être et est souvent différente de ce que nous dit le sens commun. En effet, l'eau liquide ordinaire sur Terre est certes un électrolyte comme disent les chimistes dans leur jargon, c'est-à-dire une substance conductrice, mais c'est parce qu'elle contient des ions mobiles, par exemple en raison de sels dissous (le sel de cuisine donne ainsi des ions positifs Na+ et négatifs Cl- dans l'eau).

L'eau pure distillée reste encore conductrice mais elle l'est moins, au point que l'on peut presque la considérer comme un isolant, ce qu'en pratique il arrive que l'on fasse.

Toutefois, dans les expériences menées avec l'aide du Berliner Elektronenspeicherring-Gesellschaft für Synchrotronstrahlung (soit en anglais : Berlin Electron Storage Ring Society for Synchrotron Radiation), en abrégé Bessy, un établissement de recherche situé à Berlin, l'eau se comporte vraiment comme un conducteur métallique, tel du cuivre ou de l'or.

La théorie quantique, la clé des matériaux conducteurs
Pour le comprendre, tournons-nous un moment vers la mécanique quantique expliquant les propriétés des atomes et des groupements d'atomes, que ce soit dans des molécules ou des solides cristallisés. On sait que la théorie quantique impose aux atomes d'avoir des niveaux discrets d'énergie, bien séparés si l'on néglige ce que l'on appelle la structure fine et surtout hyperfine, pouvant contenir des électrons liés.

Lorsque l'on considère un solide cristallisé, il apparaît également des niveaux d'énergie, comme si on avait un atome géant mais ces niveaux sont si serrés et nombreux qu'ils forment en fait un quasi-continuum que l'on appelle des bandes d'énergie pour les électrons, comme l'explique la vidéo ci-dessous. Il existe ainsi une bande de conduction, dans laquelle les électrons peuvent circuler librement, et une bande de valence où ils restent liés aux atomes du cristal. Lorsque ces deux bandes sont séparées par un écart d'énergie important, on est en présence d'un isolant. Lorsqu'elles se recouvrent, comme le montre toujours la même vidéo, on obtient un conducteur.

En comprimant suffisamment un échantillon de matière, par exemple de l'hydrogène, on fait se rapprocher ces deux bandes en diminuant l'écart d'énergie que l'on appelle un « gap » en anglais.

vidéo
Pourquoi certains solides sont-ils conducteurs alors que d'autres sont des isolants ou des semi-conducteurs ? La mécanique quantique détient la réponse avec la notion de bandes d'énergie, comme l'explique cette vidéo. © Synchrotron Soleil

La piste de l'ammoniac liquide
Les pressions nécessaires théoriquement de prime abord pour avoir de l'eau métallique sont tout aussi considérables que pour avoir de l'hydrogène métallique, supérieures à celles régnant au centre de la Terre (50 Mbar soit environ 50 millions de fois plus qu'à la surface de notre Planète bleue). Pour contourner cet obstacle, les physiciens ont eu l'idée d'utiliser des métaux alcalins libérant facilement des électrons, le sodium, Na, et le potassium, K. Sauf que, d'ordinaire, les réactions entre l'eau et le sodium sont explosives !

Mais voilà l'astuce. Les chercheurs ont utilisé un alliage Na-K qui est liquide à température ambiante et qui permet donc de faire une sorte de goutte-à-goutte. Avec un dispositif ingénieux, sous vide et en injectant de la vapeur d'eau, ils se sont donc débrouillés pour former en même temps à la surface des gouttes de cet alliage un film d'eau condensée épais de quelques molécules seulement. La méthode s'appuie sur des recherches antérieures du groupe mené par Pavel Jungwirth, un Tchèque spécialisé en chimie organique, portant sur le comportement des métaux alcalins dans l'eau et l'ammoniac liquide. Ces recherches avaient montré qu'avec des solutions d'ammoniac liquide et de métal alcalin à des concentrations élevées, on obtenait un comportement métallique.

Remarquablement et comme le montrent les images des expériences publiées dans Nature, l'eau se teinte alors pendant quelques secondes de reflets dorés. Comme l'ont montré des analyses menées avec la spectrométrie par réflexion optique et la spectrométrie photoélectronique à rayons X générés par synchrotron, le film d'eau se comporte bien comme un métal conducteur avec des électrons libres dans une bande de conduction, électrons fournis par les métaux alcalins.