Des physiciens sont parvenus à induire des modifications dans un matériau en utilisant des excitons, des quasi-particules neutres, plus faciles à contrôler et à produire que les photons. Cette technique, dite « ingénierie de Floquet », permettrait notamment d’exploiter les propriétés quantiques des électrons pour modifier la structure et le comportement d’un grand nombre de matériaux afin d’en créer de nouveaux. Ces résultats pourraient offrir de larges perspectives pour le développement de nouveaux matériaux et dispositifs quantiques.
L’ingénierie de Floquet consiste à soumettre un système ou un matériau donné à une excitation périodique (une force qui se répète comme un pendule) afin d’en modifier le comportement et la structure. Dans les cristaux, par exemple, les électrons sont déjà soumis à un phénomène périodique, qui se répète dans l’espace. Cette répétition confine les électrons à des niveaux d’énergie spécifiques, conférant au matériau sa structure régulière et compacte.
Lorsqu’on expose le cristal à une lumière de fréquence définie, une seconde excitation périodique est introduite, mais cette fois dans le temps. Les photons interagissant répétitivement avec les électrons induisent une modification des bandes énergétiques émises par ces derniers.
En modulant la fréquence et l’intensité de cette excitation lumineuse périodique, on peut ainsi amener les électrons à occuper de nouvelles bandes d’énergie hybrides, ce qui modifie le comportement électronique de l’ensemble du système et, par extension, les propriétés du matériau. Par analogie, cet effet d’hybridation est comparable à deux notes de musique qui s’harmonisent pour former une troisième note.
Cette hybridation cesse dès que l’excitation périodique induite par la lumière est interrompue et que les électrons retrouvent une bande énergétique correspondant à la structure cristalline initiale. Autrement dit, pendant la durée de cette seconde excitation, il serait possible de modifier temporairement les propriétés des matériaux, au point de leur faire adopter des comportements et des structures radicalement différents.
L’ingénierie de Floquet est explorée depuis des décennies dans la perspective de créer, à la demande, des matériaux quantiques à partir de semi-conducteurs standards, de manière métaphorique, comme une forme d’alchimie moderne. En théorie, il serait notamment possible d’induire un comportement supraconducteur transitoire dans un matériau semiconducteur. Toutefois, seules quelques expériences ont jusqu’ici permis de démontrer empiriquement les effets de Floquet.
En effet, si ces expériences ont permis de démontrer la faisabilité de l’ingénierie de Floquet, elles restaient jusqu’ici limitées à la lumière. Or, des intensités très élevées, susceptibles de vaporiser presque totalement le matériau, sont nécessaires pour induire l’effet recherché. La nouvelle étude dirigée par l’Institut des sciences et technologies d’Okinawa (OIST) et l’Université de Stanford propose une approche différente, fondée sur les excitons, qui permettrait d’observer l’effet de Floquet tout en préservant le matériau.
« Jusqu’à présent, l’ingénierie de Floquet était synonyme de stimulation optique », explique, dans un communiqué de l’OIST, Xing Zhu, doctorant à l’institut et coauteur de l’étude. « Or, si ces systèmes ont joué un rôle déterminant dans la démonstration de l’existence des effets Floquet, la lumière interagit faiblement avec la matière, ce qui implique que des fréquences très élevées, souvent de l’ordre de la femtoseconde, sont nécessaires pour obtenir l’hybridation. De tels niveaux d’énergie tendent à vaporiser le matériau, et les effets sont très éphémères. À l’inverse, l’ingénierie de Floquet excitonique requiert des intensités bien plus faibles. »
Les excitons comme moteurs de l’ingénierie de Floquet
Les excitons se forment dans les semi-conducteurs lorsqu’un photon disposant de suffisamment d’énergie les frappe et excite des électrons de la bande de valence vers la bande de conduction, un niveau énergétique supérieur. L’électron, chargé négativement, laisse alors derrière lui un trou, chargé positivement.
Les paires électron-trou, ou excitons, ainsi formées constituent des quasi-particules bosoniques (des entités qui se forment au sein d’un système de plusieurs particules interagissant entre elles), lesquelles subsistent jusqu’à ce que les électrons retournent dans la bande de valence. Les excitons transportent une énergie auto-oscillante, transmise par l’excitation initiale, exposant ainsi les électrons environnants à des fréquences finement contrôlables.
Et étant donné que les excitons sont créés à partir des électrons du matériau lui-même, ils interagissent beaucoup plus fortement avec celui-ci que la lumière. En outre, il faudrait, d’après l’équipe de recherche, nettement moins de lumière — et donc moins d’énergie — pour créer une population d’excitons suffisamment dense pour constituer un moteur périodique d’hybridation, qu’avec une stimulation photonique classique.
Une démonstration expérimentale à basse intensité
Pour étayer leur hypothèse, les chercheurs de l’étude — publiée le 19 janvier dans la revue Nature Physics — ont excité un semi-conducteur ultra-fin à l’aide d’un champ optique (lumineux) et ont enregistré les niveaux d’énergie des électrons. Dans un premier temps, ils ont utilisé un champ optique intense afin d’observer directement l’effet Floquet sur la structure des bandes électroniques. Ils ont ensuite réduit l’intensité du champ d’un facteur supérieur à dix et mesuré le signal électronique 200 femtosecondes plus tard, afin de capturer les effets Floquet excitoniques indépendamment de ceux optiques.
Le dispositif de spectroscopie de photoémission résolue en temps et en angle (TR-ARPES) de l’OIST, ici en compagnie de Xing Zhu. Doté d’une source UV extrême de table exclusive émettant des impulsions à intervalles de femtoseconde (1 fs = un millionième de milliardième de seconde), ce dispositif a permis de capturer les premières images réelles d’excitons, de mieux comprendre l’évolution des excitons sombres et de démontrer la faisabilité de l’ingénierie de Floquet excitonique. © Bogna Baliszewska (OIST)D’après l’équipe, il n’aurait fallu que deux heures environ pour observer un effet Floquet excitonique, contre plusieurs dizaines d’heures pour des effets Floquet photoniques nettement moins marqués. « Les excitons interagissent beaucoup plus fortement avec la matière que les photons en raison de la forte interaction coulombienne, notamment dans les matériaux 2D, et ils peuvent ainsi produire de puissants effets Floquet tout en s’affranchissant des contraintes liées à la lumière », explique le professeur Keshav Dani, de l’unité de spectroscopie femtoseconde de l’OIST.
Normalement, les niveaux d’énergie des électrons dans les semi-conducteurs atomiquement minces forment une courbe lisse (ou bande) lorsqu’ils sont représentés en fonction des niveaux d’impulsion cristalline (k), avec un pic distinct au centre, comme illustré à droite. Un indicateur clé de l’hybridation de Floquet est l’aplatissement de ce pic, qui prend une forme de chapeau mexicain, également appelée dos de chameau (voir le graphique de gauche). Cet aplatissement indique la présence d’une seconde bande, superposée, invisible car les électrons ne peuvent pas occuper le même point de l’espace des impulsions. Cependant, ces bandes « fantômes » influencent les bandes de valence et de conduction visibles, les forçant à s’abaisser au centre. Ceci est clairement visible dans des conditions de forte densité d’excitons, l’intensité de l’effet diminuant avec la densité d’excitons. La dispersion en forme de chapeau mexicain est également présente, mais faiblement visible, dans des conditions d’excitation optique. © Pareek et al., 2025.Par ailleurs, les chercheurs estiment que des résultats similaires devraient, en théorie, être possibles en utilisant d’autres types d’ions créés par le biais d’autres excitations, telles que les phonons (par vibration acoustique), les plasmons (par électrons libres) et les magnons (par champs magnétiques). D’après David Bacon, coauteur principal de l’étude et ancien chercheur à l’OIST, aujourd’hui à l’University College London, « c’est extrêmement prometteur, compte tenu de son fort potentiel pour la création et la manipulation directe de matériaux quantiques. Nous n’avons pas encore la recette miracle, mais nous disposons désormais de la signature spectrale nécessaire aux premières applications concrètes ».
L’électron est une particule élémentaire qui, avec les protons et les neutrons, constitue les atomes. C’est donc l’un des composants principaux de la matière baryonique. À ce titre, il revêt... [...]