Un matériau dynamique à couche polaire

Les transitions de phase de premier ordre, dans lesquelles une quantité de chaleur est perdue ou gagnée par un système, font partie de notre vie quotidienne. Un exemple typique est la congélation de l'eau en glace ou l'ébullition de l'eau en vapeur. 

Une équipe de scientifiques dirigée par Hugo Dil de l'Institut de physique de l'EPFL a maintenant étudié comment les électrons réagissent à une telle transition de phase de premier ordre dans le ditelluride de molybdène (MoTe₂), un métal aux propriétés exotiques qui pourrait être utile aux futurs dispositifs électroniques. 

Les scientifiques ont étudié les transitions de MoTe₂ où sa structure cristalline passe d'une structure sans polarisation électrique (une mesure de la séparation des charges négatives et positives) à une structure avec polarisation électrique après refroidissement du métal à -23°C. 

C'est un phénomène unique parce que la polarisation électrique amène les électrons conducteurs à orienter leurs spins en fonction de leur élan. Les scientifiques l'ont observé à l'aide d'une technique appelée spectroscopie de photo-émission à résolution de spin et d'angle, qu'ils ont réalisée à la Source lumineuse suisse. 

Les physiciens pensent généralement que les transitions du premier ordre se produisent soudainement à la température de transition (p. ex. 100 °C pour l'eau bouillante). Mais les scientifiques ont observé que les électrons près de la surface du MoTe₂ réagissent plus graduellement près de la transition et interagissent beaucoup plus fortement que prévu avec les vibrations dans la structure cristalline. 

Les chercheurs ont conclu qu'à température ambiante, les premiers nanomètres de cristal ont une structure polaire ordonnée située au-dessus d'une région de polarisation électrique à fluctuation dynamique. L'ensemble du cristal n'est ordonné qu'après refroidissement pendant la transition. 

"Cette découverte nous permet de mieux comprendre le phénomène quotidien des transitions de premier ordre et la façon dont la polarisation électrique des matériaux est activée ", explique Andrew Weber, le premier auteur de l'étude. "La transition dans MoTe₂ est clairement plus qu'un simple interrupteur marche-arrêt."

Autres contributeurs

• Centre international de physique de Donostia
• Institut Peter Grünberg et Institut de simulation avancée
• Université nationale et kapodistrienne d'Athènes