Une étude, dont les résultats intitulés «Length scales of interfacial coupling between metal and insulator phases in oxides» ont été publiés dans la revue Nature Materials, a permis de découvrir dans un matériau artificiel constitué de couches très minces de «nickelates», un phénomène physique inédit qui 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.

Relevons tout d'abord que les nickelates, qui sont «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)», 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», une température de transition qui «varie selon la composition de ce matériau».

Concrètement, «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», une différence, qui «s’explique par le fait que lorsqu’on remplace le Sm par le Nd, on provoque une déformation de la structure cristalline du composé» contrôlant «la valeur de cette température de transition».

Dans ce contexte, l'étude ici présentée s'est focalisée sur «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)». Alors que «lorsque les couches sont assez épaisses, elles se comportent de manière indépendante, chacune conservant sa propre température de transition», il est apparu qu'en affinant «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».

Ensuite, «une analyse très fine au microscope électronique menée à l’EPFL, soutenue par des développements théoriques sophistiqués» a permis de montrer «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». De ce fait, ce n’est pas cette distorsion «qui peut expliquer le phénomène observé».

Alors que «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», cette étude indique «que le maintien d’une interface entre une région conductrice et une région isolante», comme c’est le cas dans ces échantillons, «est très coûteuse en énergie». A cause de cela, «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» sans changer sa structure cristalline.

Ce couplage inédit «offre une nouvelle façon de contrôler les propriétés des structures électroniques artificielles»: en l'occurrence, le saut de conductivité obtenu dans le nickelate composite en question «représente un élément important pour le développement de nouveaux dispositifs électroniques» puisque «les nickelates pourraient notamment servir dans des applications telles que les transistors piézo-électriques (réagissant à la pression)».