Les scientifiques n’avaient encore jamais un tel matériau avec des capacités d’apprentissage !

Un matériau capable de mémoriser les stimulations extérieures qu’il a subies et de s’y adapter, tout comme notre cerveau : difficile d’imaginer que ce type de matériau existe, et pourtant, le dioxyde de vanadium (VO₂) en est le tout premier représentant ! Cet oxyde métallique semi-conducteur était déjà connu pour posséder une transition isolant-métal, le rendant parfait pour des utilisations dans le domaine de l’électronique, ou même d’autres, plus étonnants, comme les fenêtres intelligentes ! Mais des chercheurs ont découvert d’autres propriétés surprenantes, décrites dans une étude publiée dans Nature. 

À l’origine, le dioxyde de vanadium possède une transition abrupte d’isolant à conducteur à 68 °C : un mélange entre une transition de Mott et une transition de Peierls. Lorsque la température est inférieure à 68 °C, les électrons du VO₂ sont comme « accrochés » aux atomes, à cause de la répulsion coulombienne entre deux sites atomiques. Mais l’énergie apportée par l’échauffement du matériau permet aux électrons de quitter leur site et de se déplacer dans le VO2.

La transition de Peierls, quant à elle, concerne la structure du réseau cristallin. Ce dernier est distordu en dessous de la température de transition, créant un gap d’énergie entre la bande de conduction et la bande de valence : les électrons ne sont pas libres de se déplacer dans le matériau. Mais lorsque la température augmente, la distorsion disparait, permettant aux électrons de quitter leurs sites atomiques.

Une découverte par hasard

Déjà étonnant pour cette transition isolant-métal, le dioxyde de vanadium fait l’objet de nombreuses études, afin de déterminer dans quels domaines il pourrait être utilisé. C’est ce qu’a fait Mohammad Samizadeh Nikoo, doctorant à l’École polytechnique fédérale de Lausanne (EPFL). Il avait pour but initial l’étude de sa mémoire dite « volatile », c’est-à-dire que « le matériau revient à l’état isolant juste après la suppression de l’excitation », précise Samizadeh Nikoo dans un communiqué de l’EPFL, premier auteur de l’étude. Pour cela, il a envoyé de nombreuses fois un courant électrique dans un échantillon d’oxyde de vanadium. « Une impulsion électrique traverse le matériau et poursuit son chemin jusqu’à la sortie », précise le scientifique.

L’impulsion permet de chauffer le matériau, et donc, d’effectuer la transition isolant-métal attendue. Dès lors que le courant est passé, le refroidissement implique un retour à l’état isolant initial. Le chercheur cherchait à savoir combien de temps prenait ce retour à l’état isolant. Mais c’est là qu’il a constaté un autre effet étonnant : le dioxyde de vanadium se comportait différemment lors de la deuxième impulsion électrique, le temps pour revenir à l’état d’isolant n’était pas le même que pour la première impulsion.

C’était comme si sa structure s’y était adaptée. « Il se souvient de sa dernière transition et anticipe la suivante. Il s’agit d’un effet de mémoire inattendu. Ceci n’est pas lié à des états électroniques, mais à la structure physique du matériau. C’est une nouveauté d’un point de vue scientifique, car aucun autre matériau ne se comporte ainsi », indique Elison Matioli, coauteur de l’étude et directeur du laboratoire dans lequel ont été effectuées les mesures. Actuellement, les chercheurs ont montré que cette mémoire pouvait durer jusqu’à trois heures.  « S’il s’en rappelle aussi longtemps après, il est possible de dire que cette mémoire peut durer plusieurs jours, mais actuellement nous ne possédons pas les outils de mesures nécessaires pour le prouver », continue E.Matioli.

Une chose est sûre : cette découverte ouvre la porte à de nombreuses applications potentielles, notamment pour des opérations de calcul qui nécessitent de la mémoire. En effet, grâce à son étrange comportement, le dioxyde de vanadium est capable de stocker plus de données (d’états différents) que les matériaux conventionnels qui sont limités à des informations binaires. On parle dans son cas de mémoire structurelle, où les informations sont stockées directement dans les modifications structurelles qu’il a effectuées, tandis que pour les autres matériaux, on parle de mémoire électronique, où seuls deux états électroniques sont possibles.