Coupled structural and electronic evolution under pressure in CuIr2Se4, CuRh2S4, and CuRh2Se4

Au plus profond du monde des matériaux solides existe une famille de cristaux connus sous le nom de spinelles. Ce ne sont pas de simples roches statiques ; ce sont des scènes dynamiques où les atomes s'organisent en réseaux tridimensionnels complexes qui dictent la manière dont l'électricité circule. Dans ces structures, certains atomes métalliques occupent des points spécifiques, formant un réseau qui peut être frustré, ce qui signifie que les atomes luttent pour se stabiliser dans une disposition unique et confortable en raison de forces concurrentes. Cette lutte donne naissance à une variété fascinante de comportements : le matériau peut conduire l'électricité comme un métal, agir comme un isolant qui bloque le courant, ou même devenir un supraconducteur, transportant l'électricité sans aucune résistance. Les scientifiques s'intéressent particulièrement à la façon dont ces matériaux se comportent lorsqu'ils sont comprimés. Habituellement, presser un matériau rapproche ses atomes, ce qui aide les électrons à se déplacer plus librement et rend le matériau plus métallique. Cependant, dans certains de ces cristaux de spinelle, l'effet inverse se produit. Lorsqu'une pression est appliquée, ils cessent soudainement de conduire l'électricité et deviennent des isolants, suggérant que les atomes se réorganisent en un nouveau motif ordonné qui piège les électrons.

Une équipe de chercheurs s'est donné pour mission d'explorer ce comportement contre-intuitif dans trois cristaux étroitement liés : le cuivre-iridium-sélénium, le cuivre-rhodium-soufre et le cuivre-rhodium-sélénium. Ces composés partagent le même plan architectural de base, mais diffèrent par les atomes métalliques et non métalliques qu'ils contiennent. Les scientifiques voulaient comprendre comment le changement de ces ingrédients affecte la façon dont les cristaux réagissent à la pression. Ils ont utilisé des rayons X puissants provenant d'un grand accélérateur de particules pour observer en temps réel l'évolution de la structure atomique de ces matériaux lorsqu'ils étaient comprimés, tout en mesurant simultanément la facilité avec laquelle l'électricité pouvait passer à travers eux. Leur objectif était de voir si les changements structurels étaient la cause directe des changements électriques et de déterminer si les atomes spécifiques utilisés pouvaient permettre de régler le matériau pour qu'il devienne un supraconducteur ou un isolant.

Les chercheurs ont commencé par confirmer qu'à pression normale et à basse température, les échantillons de cuivre-rhodium-soufre et de cuivre-rhodium-sélénium étaient effectivement des supraconducteurs, ce qui signifie qu'ils pouvaient transporter l'électricité sans aucune perte. Cependant, une surprise attendait l'échantillon de cuivre-iridium-sélénium. Alors que des études précédentes avaient échoué à trouver de la supraconductivité dans ce composé spécifique jusqu'à des températures très basses, cette équipe a découvert qu'il devient effectivement supraconducteur à une température de 0,29 Kelvin. C'est juste un fragment de degré au-dessus du zéro absolu, mais le signal était fort et clair, montrant que l'ensemble du volume du matériau participait à cet état, et non seulement une minuscule couche de surface. Cette découverte a rectifié l'enregistrement historique de ce matériau, l'établissant comme un véritable supraconducteur, bien qu'opérant à une température beaucoup plus basse que ses cousins.

Lorsque l'équipe a commencé à appliquer la pression, l'histoire est devenue plus dramatique. En comprimant les cristaux, les atomes ont commencé à passer de leur arrangement cubique hautement symétrique d'origine à une nouvelle forme légèrement déformée, connue sous le nom de structure monoclinique. Cette transformation n'était pas un glissement fluide ; c'était un changement de phase distinct où l'ancien motif cubique et le nouveau motif monoclinique coexistaient pendant un certain temps avant que le nouveau ne prenne le dessus. En utilisant des simulations informatiques avancées pour guider l'interprétation des données de rayons X, les chercheurs ont découvert que dans les échantillons de cuivre-iridium-sélénium et de cuivre-rhodium-soufre, cette nouvelle structure impliquait un type spécifique d'ordre atomique. Dans ce nouvel arrangement, certains atomes métalliques formaient des liaisons inhabituellement courtes avec leurs voisins, tandis que d'autres restaient plus éloignés. Cela créait un motif où les atomes se divisaient effectivement en deux groupes basés sur la force avec laquelle ils se tenaient la main, un phénomène que les chercheurs décrivent comme une disproportion de liaison.

Les mesures électriques ont révélé un lien étroit entre ce réarrangement atomique et le flux d'électricité. À mesure que la nouvelle structure monoclinique commençait à se former, les matériaux cessaient d'agir comme des métaux et commençaient à se comporter comme des isolants. Les électrons, qui étaient auparavant libres de circuler, se sont retrouvés piégés dans le nouveau motif atomique. Cependant, la vitesse et la pression auxquelles cela se produisait dépendaient fortement des atomes présents dans le cristal. Dans l'échantillon de cuivre-iridium-sélénium, la transition vers l'état isolant s'est produite rapidement et à une pression relativement basse. Une fois la nouvelle structure formée, le matériau est devenu un isolant puissant, même à température ambiante. En revanche, les composés à base de rhodium nécessitaient des pressions beaucoup plus élevées pour subir le même changement structurel, et leur passage vers un comportement isolant était plus graduel, se déroulant sur une plage de pressions plus large.

La compétition entre la supraconductivité et ce nouvel état isolant était également frappante. Dans l'échantillon de cuivre-iridium-sélénium, la supraconductivité a disparu brusquement dès que la structure isolante a commencé à apparaître. Les deux états semblaient être mutuellement exclusifs ; dès que l'un prenait le dessus, l'autre était immédiatement écrasé. Dans l'échantillon de cuivre-rhodium-soufre, la relation était plus clémente. La supraconductivité a persisté pendant un certain temps, même lorsque la pression augmentait et que la structure isolante commençait à se former, pour ne s'éteindre que lentement sur une plage de pression plus large. Cela suggère que le choix spécifique des atomes métalliques et non métalliques agit comme un bouton de réglage, ajustant la pression requise pour déclencher ces changements et déterminant avec quelle intensité les états supraconducteur et isolant luttent pour la domination.

Pour l'échantillon de cuivre-rhodium-sélénium, le tableau était légèrement moins clair. Les chercheurs ont pu confirmer qu'il se transformait également en la même sorte de supercellule monoclinique que les autres, mais les données de rayons X étaient trop confuses pour localiser précisément l'arrangement atomique à l'intérieur. Malgré cette incertitude, le comportement électrique suivait la même tendance générale, tendant vers l'isolation à mesure que la pression augmentait, bien que cela se soit produit plus lentement que pour les deux autres. Cela suggère que, bien que les détails atomiques exacts puissent varier, la dynamique fondamentale vers cet état structurel est une propriété partagée de cette famille de cristaux.

En fin de compte, l'étude révèle que le chemin qu'emprunte un matériau sous pression n'est pas aléatoire, mais profondément ancré dans la chimie spécifique de ses composants. La taille des nuages électroniques autour des atomes métalliques et la distance entre eux, contrôlées par la présence de soufre ou de sélénium, dictent la facilité avec laquelle les atomes peuvent se réorganiser. En échangeant ces éléments, les scientifiques peuvent effectivement régler le matériau, décidant s'il deviendra un supraconducteur, un isolant, ou un champ de bataille où les deux états se combattent. Ce travail offre une vision unifiée de la manière dont la structure et l'électricité sont entrelacées dans ces cristaux complexes, montrant que même de petits changements de composition peuvent mener à des réalités physiques radicalement différentes sous les conditions extrêmes de haute pression.