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V2O3, le film ! Un vieux mystère de la physique enfin mis en images

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Les propriétés des matériaux sont à la base de nombreuses applications ; les expliquer est aussi parfois encore un défi pour les chercheurs. La propriété physique la plus familière est la capacité d’un matériau à conduire (métaux) ou pas (isolants) le courant électrique. La conductivité des métaux augmente quand la température diminue. Ainsi, le cuivre conduit plus de dix fois mieux le courant à -200°C qu’à 400°C. Mais pour V2O3 (oxyde de Vanadium III), un métal à température ambiante, la conductivité chute brutalement d’un facteur un million ou plus quand la température passe sous les -113°C. Il devient un isolant à basse température ! Comment expliquer alors cette étonnante transition de métal à isolant ?

Le mystère est d’autant plus grand que, dans le modèle quantique conventionnel décrivant les électrons dans les solides (la théorie de Bloch), le caractère métallique ou isolant d’un matériau dépend uniquement du nombre d’électrons qu’il possède. D’après ce modèle, les électrons remplissent progressivement des états dans des régions d’énergies permises (dites bandes d’énergie) séparées par des régions d’énergies interdites (gaps). Si la dernière bande d’énergie occupée est partiellement remplie, le matériau est métallique et les électrons sont mobiles. Si elle est totalement remplie, le matériau sera isolant. On peut comparer le matériau à un stade : si tous les tickets ont été vendus, aucun spectateur ne peut se déplacer; s’il reste des sièges vides, un « courant de spectateurs » peut s’établir. Le nombre d’électrons d’un matériau ne changeant pas avec la température, un métal selon Bloch doit le rester en refroidissant !

Que se passe-t-il dans V2O3 qui remette en cause ce modèle pourtant éprouvé ? La dernière bande partiellement occupée est formée à partir d’orbitales assez localisées dans l’espace. Les électrons ne peuvent s’éviter facilement et sont soumis à de fortes répulsions mutuelles, négligées dans le modèle de Bloch : les corrélations électroniques. A basse température, cette répulsion empêcherait les électrons de bouger, faisant du composé un isolant. Dans notre stade, le match oppose deux équipes dont les supporters se détestent. Massés dans deux tribunes opposées, séparées par des gradins vides. Ainsi, même si le stade n’est pas plein les spectateurs ne se déplacent pas, afin d’éviter les interactions entre supporters.

La transition métal-isolant serait donc une manifestation des corrélations électroniques, mais les processus microscopiques l’accompagnant restent controversés malgré 50 ans de recherche. Il manquait une claire observation de l’évolution des bandes d’énergie électroniques lors de la transition. Une telle étude peut être réalisée grâce à la technique de photoémission résolue en angle (Angle-Resolved PhotoEmission Spectroscopy en anglais, ou ARPES), mais n’avait pas pu être menée jusqu’à présent pour plusieurs difficultés techniques. Dans ces expériences réalisées en partie sur la ligne CASSIOPEE, ces problèmes ont été contournés en travaillant sur un film mince de V2O3 déposé sur un substrat de saphir.

Le résultat principal de cette étude, pilotée par des chercheurs à l’ISMO (Université Paris-Saclay), en collaboration avec des chercheurs de l’Université de San Diego (Etats Unis), l’Université de Tohoku et le synchrotron KEK (Japon), la ligne CASSIOPEE de SOLEIL, le LPS (Université Paris-Saclay), l’IPP (Ecole Polytechnique), le LPEM (ESPCI), l’Université de Minas Gerais (Brésil) et l’Université de Twente (Pays Bas), est présenté sur la figure 1. Cette figure montre l’évolution des bandes d’énergie mesurées par ARPES pendant la transition métal-isolant en diminuant la température (panneaux A à F), ou en l’augmentant (panneaux F à K). On observe clairement la transition sur les mesures :

  • A 180K (soit -93°C, image rouge), une bande d’énergie de forme parabolique (typique d’électrons mobiles) coupe l’énergie « 0 » : le composé est métallique.
  • A 100K (-173°C, image bleu foncé), il n’y a plus d’états électroniques dans cette zone d’énergie : V2O3 est devenu isolant.
     

Quand la température baisse entre 180K et 100K, l’intensité de la bande parabolique baisse petit à petit, pendant qu’une bande très horizontale, typique d’électrons restant localisés sur les sites atomiques, devient de plus en plus intense, signe que des électrons mobiles « transmutent » en électrons localisés. De plus, cette bande horizontale bouge petit à petit vers des énergies de liaison plus grandes. La tendance s’inverse en réchauffant, mais avec un décalage en température (comparer les images à 120K et 130K en refroidissant et réchauffant), ce qui peut s’expliquer par la formation, à températures intermédiaires, d’îlots métalliques et isolants dont la proportion dépend de l’état précédent du matériau. 

Cette première mise en image de l’évolution de la structure électronique de V2O3 lors de sa transition de métal à isolant permet donc d’en rendre compte comme d’un transfert graduel d’états d’électrons itinérants vers des états localisés et montre qu’elle implique une réorganisation complète de plusieurs bandes d’énergie.

Figure 1 : Evolution de la structure de bandes de V2O3 mesurée par ARPES en fonction de la température à travers sa transition métal-isolant, soit en diminuant la température (panneaux A à F), soit en l’augmentant (panneaux F à K).