Des chercheurs capturent un état quantique caché dans un cristal 2D en temps réel

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Représentation de l'effondrement induit par la lumière à l'échelle nanométrique dans un cristal 2D de disulfure de tantale (formes d'étoiles), et de la génération d'un état métallique métastable caché (sphères). © Frank Yi Gao
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Pour la première fois, des scientifiques du MIT et de l’Université du Texas à Austin rapportent avoir immortalisé une phase quantique métastable induite par la lumière, en utilisant des techniques avancées de spectroscopie. Comprendre l’origine de cet état permettra à la fois d’explorer la thermodynamique hors équilibre et de développer des dispositifs optoélectroniques avec des photoréponses à la demande.

Les interactions ultrarapides lumière-matière peuvent déclencher bien des phénomènes dits « exotiques » dans les matériaux quantiques, comme la supraconductivité induite par la lumière (ou photoinduite). La recherche sur les phases cachées photoinduites, c’est-à-dire sur les états hors équilibre thermiquement inaccessibles, est toujours plus florissante.

Les chercheurs de la nouvelle étude, parue dans la revue Science Advances, rapportent que certaines de ces phases peuvent persister indéfiniment dans des conditions environnementales appropriées, alors même que de nombreuses phases cachées induites par des impulsions laser sont de courte durée. « Pour ces phases métastables hors équilibre, il reste des lacunes importantes dans notre compréhension », écrivent-ils. En effet, la cartographie de la formation ultrarapide d’une phase cachée à longue durée de vie reste un défi de longue date, car l’état initial n’est pas récupéré rapidement.

« Comprendre l’origine de ces phases quantiques métastables est important pour répondre à des questions fondamentales de longue date en thermodynamique hors équilibre », a déclaré dans un communiqué Keith A. Nelson, co-auteur de l’étude et professeur de chimie au MIT. La thermodynamique hors équilibre est un domaine de recherche qui étudie les phénomènes — irréversibles — qui ne sont pas en équilibre thermodynamique. Il s’intéresse aux processus de transport et aux vitesses des réactions chimiques.

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Une technique de spectroscopie de pointe qui produit plusieurs centaines d’impulsions laser

Les chercheurs ont donc développé une méthode laser avancée pour capturer des instantanés de ces phénomènes dans des matériaux quantiques, avec une résolution temporelle de 100 femtosecondes. Le matériau du cristal électronique est le disulfure de tantale (1T-TaS2), formé de couches d’atomes de tantale et de soufre empilés de manière lâche les uns sur les autres.

« Habituellement, diriger des lasers sur des matériaux revient à les chauffer, mais pas dans ce cas », ajoute Zhuquan Zhang, co-auteur de l’étude et étudiant diplômé en chimie au MIT. « Ici, l’irradiation du cristal réarrange l’ordre électronique, créant une phase entièrement nouvelle, différente de celle de la haute température ». Les atomes et électrons du matériau forment alors une structure en « étoiles de David », visible à l’échelle nanométrique.

« Il s’agit d’un état quantique transitoire figé dans le temps », explique Edoardo Baldini, co-auteur de l’étude et professeur adjoint de physique à l’UT-Austin. « Des gens ont déjà observé cette phase cachée induite par la lumière, mais les processus quantiques ultrarapides à l’origine de sa genèse étaient encore inconnus ».

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Dans le détail, les scientifiques américains ont développé une nouvelle méthode permettant de produire plusieurs centaines d’impulsions laser distinctes, à partir d’une seule impulsion laser de sonde. Ces nombreuses impulsions parviennent jusqu’à l’échantillon à différents moments, et leurs changements après réflexion/transmission par l’échantillon ont été mesurés.

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Cela a permis de reconstituer un film donnant un aperçu microscopique des mécanismes par lesquels les transformations se produisent. Les auteurs ont finalement démontré que les fluctuations de fusion et de réorganisation de l’onde de densité de charge conduisaient à la formation de l’état caché.

Ils affirment que leurs résultats éclairent sur l’origine de cet état insaisissable et ouvrent la voie à la découverte d’autres phases exotiques de la matière — bien que l’étude ait été réalisée avec un matériau particulier. En outre, ils pourraient permettre de développer des dispositifs optoélectroniques avec des photoréponses à la demande.

Source : Science Advances

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