Une équipe internationale, à laquelle participe l’Institut Paul Scherrer PSI, montre comment la lumière peut modifier fondamentalement les propriétés des solides et comment ces effets pourraient être utilisés pour de futures applications. Les chercheurs synthétisent les progrès accomplis dans ce domaine qui reposent notamment sur des expériences pouvant également être réalisées au laser à rayons X à électrons libres SwissFEL dans la revue spécialisée Reviews of Modern Physics.
Dans leur article publié dans la revue Reviews of Modern Physics, les chercheurs, dont Simon Gerber du groupe Technologies quantiques à l’Institut Paul Scherrer PSI, décrivent comment la lumière peut modifier fondamentalement les propriétés des solides et comment ces effets pourraient être utilisés pour de futures applications. La synthèse de l’équipe décrit les derniers développements en science des matériaux ultrarapides. Elle se veut à la fois un guide à l’attention des étudiants qui démarrent dans ce domaine et une référence standard pour les spécialistes. Ont participé à sa rédaction, outre Simon Berger, chercheur au PSI: Michael Sentef et James McIver de l’Institut Max-Planck de structure et dynamique de la matière à Hambourg (Allemagne), Dante Kennes de l’Université d’Aix-la-Chapelle (RTWH, Allemagne), Alberto de la Torre (Brown University, Etats-Unis) et Martin Claassen (Université de Pennsylvanie, Etats-Unis). L’équipe discute d’expériences et de considérations théoriques sur la question de la réaction des solides à l’excitation par de courtes impulsions laser ou de celle du couplage lumière-matière lors de l’irradiation par la lumière.
En règle générale, un matériau est en équilibre thermique et est soumis aux lois de la thermodynamique, où les conditions extérieures (comme la température, la pression) déterminent complètement son comportement. Cependant, nombre d’applications pratiques nécessitent non seulement que l’on connaisse l’état d’équilibre d’un matériau donné, mais aussi ses excitations. «Si nous pouvions concevoir des états excités à volonté, cela permettrait l’avènement de nouvelles applications, explique Simon Gerber. Par exemple dans les domaine du traitement et du stockage ultrarapides de l’information, de la transmission d’énergie sans perte et de la technologie quantique.»
Comme un seconde par rapport à l’âge de l’univers
Au cours des dernières années, d’énormes progrès ont été accomplis dans le domaine des expériences pompe-sonde comme cela peut être réalisé au laser à rayons X à électrons libres SwissFEL. Lors de celles-ci, une impulsion laser «pompe» courte excite un matériau. On utilise ensuite des mesures stroboscopiques «sonde» pour créer des films au ralenti extrême de la dynamique qui en découle. «Grâce au progrès de la technologie, les scientifiques peuvent désormais contrôler les électrons, leurs degrés de liberté de spin et d’orbitale ainsi que le réseau cristallin des ions, relève Michael Sentef. Et surtout, nous sommes en mesure de suivre ces états contrôlés de la matière avec une résolution temporelle de l’ordre de la femtoseconde.» Une femtoseconde représente par rapport à une seconde ce qu’une seconde représente par rapport à l’âge de l’univers. Il s’agit donc d’un laps de temps incroyablement court.
Pour étudier ce domaine de recherche actif, les scientifiques ont formé une équipe qui regroupe aussi bien des expérimentateurs (Alberto de la Torre, James McIver et Simon Gerber) que des théoriciens (Martin Claassen, Dante Kennes et Michael Sentef). «Nous estimons qu’il est extrêmement important d’identifier des concepts généraux sur la façon dont nous pouvons contrôler les matériaux avec la lumière pour faire progresser des applications», explique Dante Kennes.
Combiner différentes techniques de sonde
Simon Gerber insiste sur l’idée encore nouvelle selon laquelle il est possible de combiner différentes techniques de sonde pour étudier simultanément différentes parties d’un système dynamique.
«Lorsqu’on bombarde un matériau avec un laser, les électrons sont excités et les ions qui forment le réseau cristallin se mettent en mouvement en même temps, explique-t-il. Contrairement à l’équilibre thermique, où il y a toujours un équilibre entre les différents composants d’un système, le laser peut perturber cet équilibre, ce qui induite des états de non-équilibre où l’énergie circule au sein du matériau de manière parfois inattendue. Il est très précieux de comprendre comment les différentes parties réagissent à l’excitation externe, mais aussi les unes aux autres. Cela nous a, par exemple, permis d’apprendre quelque chose sur les forces mutuelles entre les électrons et les ions en observant simultanément leur dynamique.»
Michael Sentef ajoute que ces nouvelles perspectives ouvrent la voie à de futurs travaux: «Les connaissance ainsi acquises nous permettent, par exemple, de mieux comprendre quelles sont les forces qui poussent les électrons à former des supraconducteurs, autrement dit des matériaux qui conduisent le courant sans perte thermique et sont de fantastiques aimants.»
L’inspiration vient en alliant théorie et pratique
«Les nouvelles possibilités expérimentales stimulent aussi les idées théoriques qui, à leur tour, incitent les expérimentateurs à chercher des moyens pour réaliser ces idées, note Martin Claassen. Il y a une dizaine d’années, des théoriciens ont proposé, par exemple, d’utiliser de fortes sources de lumière pour modifier la topologie d’un matériau. La topologie est une propriété de mécanique quantique qui peut déboucher sur un transport de courant sans perte le long des surfaces, alors qu’aucun courant ne circule à l’intérieur. C’est ce qu’on appelle l’ingénierie de Floquet, du nom du mathématicien français qui a inventé un formalisme pour décrire des systèmes dynamiques mus par des forces périodiques dans le temps.»
Les états topologiques de Floquet qui en résultent ont été mesurés seulement récemment dans le cadre d’une expérience placée sous la houlette de James McIver. «Pour ce faire, nous avons dû inventer et construire une expérience complètement nouvelle, raconte celui-ci. Dans notre article de synthèse, nous soulignons les synergies qui émergent lorsque théorie et expérience vont de pair. Nous pensons que ce champ est mûr à présent pour passer de la découverte de nouveaux effets dans les matériaux commandés par laser à l’exploitation de ces effets pour des technologies potentielles.»
La clé pour y parvenir réside dans la collaboration scientifique, renchérit Alberto de la Torre: «L’utilisation des techniques de croissance des matériaux nous permet par exemple de développer des échantillons avec les états d’équilibre et d’excitation souhaités, qui peuvent ensuite être contrôlés par de courtes impulsions laser. Il s’agit clairement d’un travail d’équipe qui avance aussi bien grâce aux progrès de l’expérimentation qu’aux connaissances théoriques. Nous espérons que notre article de synthèse contribuera à renforcer encore la communauté et, surtout, qu’il convaincra des jeunes chercheurs de se lancer dans ce voyage scientifique.»
Colloquium: Nonthermal pathways to ultrafast control in quantum materials
Alberto de la Torre, Dante M. Kennes, Martin Claassen, Simon Gerber, James W. McIver, Michael A. Sentef
Reviews of Modern Physics, 14.10.2021
DOI: 10.1103/RevModPhys.93.041002
A propos du PSI
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