Emergent medium-range order in amorphous silicon

Les matériaux qui manquent d'une structure cristalline rigide et répétitive sont partout, du verre de nos fenêtres aux puces de silicium qui alimentent nos ordinateurs. Dans ces solides désordonnés, appelés matériaux amorphes, les atomes ne s'alignent pas en rangées nettes et à longue portée comme des soldats lors d'un défilé. Au lieu de cela, ils sont emmêlés, mais ils ne sont pas entièrement aléatoires. Les scientifiques savent depuis longtemps que ces matériaux possèdent une couche d'organisation cachée qui se situe entre les voisins immédiats d'un atome et l'étendue vaste et sans relief du matériau massif. Cette couche cachée, appelée ordre à moyenne portée, est cruciale car elle dicte la façon dont le matériau se comporte, comment il conduit l'électricité et comment il réagit à la pression. Cependant, pendant des décennies, la nature exacte de cette organisation est restée un mystère. Elle est difficile à observer car les outils utilisés pour regarder les atomes floutent généralement l'image à ces distances spécifiques, laissant aux chercheurs une vue brumeuse de la manière dont les pièces s'assemblent dans l'entre-deux.

Une équipe de chercheurs a maintenant dissipé une partie de ce brouillard en utilisant une nouvelle approche puissante pour étudier le silicium amorphe, un matériau qui sert de modèle parfait pour comprendre ces réseaux désordonnés. Au lieu d'essayer d'observer le matériau avec un microscope, ils ont construit une réplique numérique massive contenant cent mille atomes et ont observé son comportement sous différentes conditions. Ils ont commencé avec une version à faible densité du matériau, où les atges sont lâchement connectés, puis l'ont comprimée jusqu'à ce qu'elle devienne incroyablement dense. En suivant la position de chaque atome de cette simulation géante, ils ont pu cartographier l'architecture invisible du matériau avec une précision que les expériences ne peuvent pas encore atteindre. Ce qu'ils ont découvert est un changement surprenant dans la façon dont les atomes s'organisent à mesure qu'ils s'éloignent d'un point central.

À de très courtes distances, près d'un atome central, la structure est strictement régie par les règles de la liaison chimique. Dans la version à faible densité, les atomes forment une forme tétraédrique étroite à quatre côtés, qui est l'arrangement le plus stable pour le silicium dans des conditions normales. Mais à mesure que le matériau est compressé vers un état de très haute densité, ces formes nettes se brisent. Les atomes sont forcés dans des arrangements encombrés et chaotiques avec beaucoup plus de voisins, perdant leur géométrie locale ordonnée. Pendant longtemps, les scientifiques ont supposé que si la structure locale était aussi désordonnée, la structure plus large le serait également. Les nouvelles simulations révèlent toutefois que ce n'est pas le cas. Lorsque l'on regarde plus loin de l'atome central, au-delà du voisinage immédiat, un type d'ordre complètement différent émerge soudainement.

Malgré le chaos au niveau local, les atomes dans le matériau à haute densité commencent à s'organiser en motifs qui ressemblent aux coins d'un cube ou aux faces d'un octaèdre. Ce sont des formes dotées d'une symétrie parfaite, pourtant elles apparaissent dans un matériau qui n'a aucune symétrie parfaite. C'est comme si les atomes, incapables de trouver un ajustement local parfait, s'accordaient collectivement sur une nouvelle façon plus efficace de s'empaqueter sur une distance légèrement plus grande. Cette transition se produit à une distance spécifique du centre, agissant comme un interrupteur qui fait basculer le matériau de la domination des liaisons chimiques locales vers celle du besoin de remplir l'espace efficacement. Les chercheurs ont découvert que ce changement se produit à une distance d'environ huit à dix angströms dans le matériau à faible densité, mais qu'il survient beaucoup plus tôt, à seulement trois à cinq angströms, dans le matériau compressé.

Cette découverte relie plusieurs énigmes de longue date dans le domaine. L'une des caractéristiques les plus célèbres des matériaux désordonnés est un pic spécifique dans la façon dont ils diffusent les rayons X, connu sous le nom de premier pic de diffraction intense. Pendant des années, les scientifiques ont débattu pour savoir quelle structure physique dans le matériau causait ce pic. La nouvelle étude montre que ce pic n'est pas un artefact aléatoire, mais une empreinte directe de l'espacement entre les anneaux topologiques — des boucles fermées d'atomes qui forment le squelette du matériau. Dans le silicium à faible densité, ces anneaux sont espacés d'une manière qui crée un rythme spécifique, et ce rythme est précisément ce qui produit le pic de diffraction. Lorsque le matériau est pressé, les anneaux s'effondrent et se réorganisent, changeant l'espacement et provoquant le déplacement ou la disparition du pic. Cela prouve que le diagramme de diffraction observé dans les expériences est une carte directe de l'organisation en espace réel de ces boucles atomiques.

Les chercheurs ont également découvert que la façon dont ces anneaux sont disposés n'est pas aléatoire mais suit un motif quasi périodique, ce qui signifie qu'ils se répètent avec un espacement régulier qui n'est pas tout à fait un cristal parfait, mais qui est bien plus organisé qu'un tas de billes aléatoires. Cette organisation est ce qui permet au matériau de maintenir son intégrité même lorsqu'il est si dense que les formes locales sont déformées. L'étude suggère que ce phénomène n'est pas unique au silicium, mais est probablement une règle fondamentale pour de nombreux verres de réseau. L'idée clé est que l'ordre à moyenne portée n'est pas seulement un vestige de la structure locale ; c'est une propriété émergente, nouvelle, qui surgit lorsque le matériau tente de s'empaqueter aussi étroitement que possible. Les atomes sacrifient leur perfection locale pour parvenir à un arrangement global plus efficace, créant un ordre caché qui ne devient visible que lorsque l'on prend du recul pour regarder l'ensemble.

En utilisant ces simulations avancées, l'équipe a fourni une vision unifiée de la construction des matériaux désordonnés. Ils ont montré que les caractéristiques étranges observées dans les expériences, telles que les pics spécifiques dans les diagrammes de diffraction et l'espacement inhabituel des atomes, sont toutes les deux faces d'une même pièce. Elles sont toutes les manifestations d'un matériau tentant de trouver un équilibre entre les règles strictes de la chimie locale et la pression pour remplir l'espace efficacement. Cette compréhension fait dépasser le domaine de l'idée selon laquelle les matériaux amorphes sont simplement des « liquides gelés » sans structure. Au lieu de cela, ce sont des systèmes complexes dotés d'une architecture sophistiquée et multicouche, où le chaos local cède la place à une symétrie émergente surprenante sur une courte distance. Cette nouvelle perspective pourrait aider les scientifiques à concevoir de meilleurs matériaux aux propriétés sur mesure, en sachant exactement comment manipuler l'ordre caché qui réside entre les atomes.