Comment une interface électriquement conductrice peut-elle apparaître à la jonction entre deux matériaux qui ne conduisent pas l'électricité ? Depuis qu’un tel phénomène a été découvert en 2004, des hypothèses antagonistes ont été émises pour répondre à cette question, chacune avec ses fervents défenseurs et ses détracteurs. Une équipe internationale regroupant des chercheurs de l’Institut Paul Scherrer (PSI), de l'Université de Genève (UNIGE) et du service de Physique Théorique des Matériaux de l'Université de Liège a clarifié le débat.
Ces chercheurs ont montré que la conduction résulte d’un effet intrinsèque à la jonction entre les deux matériaux, réfutant l’hypothèse alternative d’une origine extrinsèque reliée à la présence de défauts introduits lors de la croissance de la jonction. L’interface entre ces deux composés possède des propriétés électriques et magnétiques fascinantes qui laissent entrevoir un certain nombre d’applications dans le domaine de l'électronique et de l'informatique. Les résultats ont été publiés dans la revue Nature Communications.
En 2004, des chercheurs ont découvert une couche conductrice à l’interface entre deux oxydes isolants, que sont SrTiO3 et LaAlO3. Après plusieurs années d’intenses recherches, l’origine de la conductivité reste toujours controversée.
Une école de pensée relie la conduction aux propriétés intrinsèques de la jonction. De manière schématique, la nature chimique différente des atomes composant le SrTiO3 et le LaAlO3 est responsable d’un déséquilibre des charges électriques de part et d’autre de l’interface. Pour pallier ce déséquilibre, la théorie prédit que pour une épaisseur critique de LaAlO3, le système électronique va se réarranger en transférant des électrons vers l’interface rendant celle-ci conductrice.
Cette explication, connue sous le nom de « catastrophe polaire » s’oppose à l’idée que les défauts, inhérents à la croissance de la couche de LaAlO3, soient à l’origine d’un dopage chimique de la région d’interface et génèrent la couche conductrice.
Afin de clarifier cette controverse, l’équipe de chercheurs a imaginé une expérience permettant de tester une prédiction fondamentale de la catastrophe polaire de manière à valider cette explication.
L’expérience a consisté à remplacer un des matériaux, le LaAlO3, par son alliage avec l’autre composé, modifiant ainsi le déséquilibre de charge à l’interface. A l’Université de Liège, Denis Fontaine et Philippe Ghosez ont prédit théoriquement l’effet de ce changement sur l’épaisseur critique. Les groupes du PSI et de UNIGE ont réalisé les échantillons et les ont mesurés. Ces expériences ont montré que la relation entre l’épaisseur critique et la composition de l’alliage suivait parfaitement la prédiction théorique, démontrant l’origine intrinsèque du phénomène.
Cette interface conductrice peut jouer un rôle important dans des applications futures telles que des transistors ou senseurs. Le fait que l’origine de la conduction soit intrinsèque au système est un atout pour le développement d’une électronique à base d’oxydes.
