Un interrupteur pour les électrons : des chercheurs créent une interface conductrice dans des matériaux à base de nickelate
Un pas important vers l'électronique contrôlée par la lumière
À l'aide de la lumière ultraviolette (UV), des scientifiques ont réussi à activer et désactiver un état extrêmement conducteur en quelques secondes à l'interface entre deux matériaux d'oxyde. Ce "commutateur lumineux pour électrons" récemment découvert constitue une étape importante vers l'électronique contrôlée par la lumière et pourrait également jouer un jour un rôle dans la supraconductivité. Les résultats ont été publiés dans Nature Materials. L'équipe de recherche internationale comprend la physicienne théorique Rossitza Pentcheva (Université de Duisbourg-Essen) et son ancien collègue, le Dr Benjamin Geisler (Université de Floride).
L'aspect essentiel de notre travail est qu'un état exceptionnellement conducteur peut être activé et désactivé uniquement par la lumière, un peu comme si l'on appuyait sur un interrupteur", explique le professeur Pentcheva du département de physique de l'université de Duisbourg-Essen (UDE). Cela ouvre de nouvelles possibilités pour manipuler la supraconductivité dans les nickelates à l'aide d'impulsions lumineuses ultrarapides".
Le NdNiO₂, un représentant de ce que l'on appelle les nickelates à couche infinie, est au centre de l'étude. Cette classe de matériaux est similaire aux supraconducteurs à haute température à base d'oxyde de cuivre et a fait l'objet d'une attention croissante ces dernières années, car elle devient supraconductrice dans des conditions spécifiques.
Dès 2020, Geisler et Pentcheva ont prédit qu'un gaz d'électrons bidimensionnel pourrait se former à l'interface entre le nickelate NdNiO₂ et l'isolant titanate de strontium (SrTiO₃) - une couche extrêmement fine dans laquelle les électrons se déplacent presque sans résistance. De tels états sont considérés comme essentiels pour les développements futurs de la nanoélectronique, de la spintronique et de l'information quantique. Cependant, dans les expériences précédentes, ce gaz d'électrons n'apparaissait pas, car les atomes à l'interface se mélangeaient plus fortement que prévu, comme l'a montré une étude collaborative des universités Cornell, Stanford et Duisburg-Essen, publiée en 2023 dans Nature Materials.
L'équipe de recherche internationale a maintenant utilisé la lumière comme stimulus ciblé : dans leurs expériences, ils ont éclairé l'interface avec de la lumière ultraviolette tout en mesurant simultanément sa conductivité électrique. Parallèlement, Geisler et Pentcheva ont effectué des simulations de mécanique quantique sur le superordinateur de l'UDE afin de décrire précisément le comportement des électrons.
Lorsque la lumière est allumée, le matériau change brusquement : sa résistance électrique diminue d'un facteur allant jusqu'à cent mille - l'échantillon est soudain 100 000 fois plus conducteur", explique M. Pentcheva. L'effet est dû à un minuscule champ électrique à l'interface, qui canalise les électrons induits par les UV le long d'une piste invisible dans une couche ultramince. Ils s'y déplacent avec une facilité remarquable et forment un gaz d'électrons hautement conducteur. Dès que la lumière est éteinte, l'état disparaît complètement - le matériau revient à son état d'origine sans changement durable.
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Publication originale
David Sanchez-Manzano, G. Krieger, A. Raji, B. Geisler, H. Sahib, V. Humbert, H. Jaffrès, J. Santamaría, R. Pentcheva, A. Gloter, D. Preziosi, Javier E. Villegas; "Giant photoconductance at infinite-layer nickelate/SrTiO3 interfaces via an optically induced high-mobility electron gas"; Nature Materials, 2025-10-10
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