Quand les électrons s'habillent de lumière
La lumière, cinquième élément de la science des matériaux ?
De nouvelles propriétés des matériaux, à la vitesse de l'éclair et sur demande - cette vision se rapproche grâce aux récentes découvertes d'un groupe de recherche paneuropéen en physique. L'équipe utilise des champs lumineux ultracourts et puissants pour observer directement comment des états énergétiques exotiques, connus sous le nom de bandes de Floquet, émergent dans un cristal. Les scientifiques publient leurs résultats dans la revue Nature.
Lorsque des électrons (sphères) à la surface d'un isolant topologique sont accélérés par de fortes ondes lumineuses en fonction de leur structure de bande (cône le plus bas), des répliques de Floquet-Bloch (cônes plus élevés) de la structure de bande originale sont formées. Des vidéos de la structure de bande avec une résolution temporelle inférieure au cycle révèlent pour la première fois la dynamique de formation (cônes en arrière-plan).
© Brad Baxley (parttowhole.com)
"La découverte de nouvelles propriétés matérielles dépend généralement de notre capacité à contrôler la composition chimique du matériau", explique Ulrich Höfer, professeur de physique expérimentale à la Philipps-Universität Marburg et professeur invité à l'université de Regensburg. "La manipulation purement optique des propriétés des matériaux, en revanche, pourrait faire entrer la physique dans une nouvelle ère en permettant de nouvelles fonctions à la demande". L'excitation périodique des électrons par une lumière intense entraîne des effets quantiques exotiques : Les perturbations périodiques du champ lumineux intense font que les électrons n'ont pas un seul état d'énergie fixe, mais plusieurs états d'énergie régulièrement espacés. "L'état énergétique d'origine s'entoure, pour ainsi dire, de plusieurs enveloppes de lumière", explique Rupert Huber, professeur à l'Institut de physique expérimentale et appliquée de l'université de Ratisbonne et coauteur principal de l'étude. Les experts appellent cet état l'état de Floquet. Cependant, les propriétés dynamiques de ces états - par exemple, la question de savoir combien de temps il faut aux électrons pour se "revêtir" de lumière - sont restées inconnues jusqu'à présent", explique Rupert Huber.
Les centres de recherche collaborative Structure et dynamique des interfaces internes et Effets relativistes émergents dans la matière condensée de la Fondation allemande pour la recherche des universités de Marbourg et de Ratisbonne offrent des conditions idéales pour combler ces lacunes. L'équipe a choisi la spectroscopie de photoélectrons pour étudier la surface d'un cristal. "Avec nos mesures, nous avons dépassé la limite de ce qui pouvait être réalisé avec cette spectroscopie jusqu'à présent en termes de résolution temporelle dans des champs lumineux intenses", souligne Suguru Ito, postdoc à l'université Philipps de Marbourg et auteur principal de l'article. En conséquence, l'équipe a fait une découverte imprévue : "Il est surprenant de constater que les bandes de Floquet se forment après un seul cycle optique, ce qui est très court".
"Au début, les examinateurs avaient du mal à le croire", ajoute M. Höfer. Mais les résultats expérimentaux clairs sont étayés par une modélisation théorique, réalisée par Michael Schüler de l'Institut Paul Scherrer de Villigen, en Suisse, et Michael Sentef, alors chef de groupe à l'Institut Max Planck pour la structure et la dynamique de la matière à Hambourg et aujourd'hui professeur de physique de l'état solide à l'université de Brême.
Ces travaux fournissent de nouvelles informations importantes sur l'évolution des bandes de Floquet, explique M. Sentef : "L'habillage des électrons par la lumière est souvent particulièrement difficile dans les solides, car l'énergie introduite est rapidement convertie en chaleur. En démontrant qu'un tel habillage se produit après un seul cycle optique, nous ouvrons la voie à une modification très rapide et très forte des propriétés de l'état solide par la lumière".
"Notre expérience ouvre la possibilité de visualiser un large éventail d'états quantiques transitoires", ajoute M. Huber. "Cela ouvre la voie à des fonctions quantiques sur mesure et à l'électronique ultrarapide.
Outre les groupes de recherche de Marburg et Regensburg, des scientifiques du MPSD, de l'Institut Paul Scherrer et de l'Institut A. V. Rzhanov de Novossibirsk, en Russie, ont participé à la publication. La coopération avec le collègue russe a eu lieu avant la guerre en Ukraine. La Fondation allemande pour la recherche a financé les scientifiques participants par l'intermédiaire des centres de recherche collaborative de Marburg et de Regensburg et du programme Emmy Noether. Plusieurs organismes de financement internationaux ont également apporté leur soutien financier.
Note: Cet article a été traduit à l'aide d'un système informatique sans intervention humaine. LUMITOS propose ces traductions automatiques pour présenter un plus large éventail d'actualités. Comme cet article a été traduit avec traduction automatique, il est possible qu'il contienne des erreurs de vocabulaire, de syntaxe ou de grammaire. L'article original dans Anglais peut être trouvé ici.
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