La stimulation par des impulsions lumineuses ultrarapides permet de réaliser et de manipuler des états de la matière avec des phénomènes structurels, électroniques et magnétiques émergents. Selon une nouvelle étude, publiée dans le journal Nature Materialsune impulsion laser ultrarapide associée à une “frustration” a permis de créer un nouvel état de la matière, un “supercristal”.
Image 3D d’un supercristal obtenue à partir de simulations de champ de phase. Crédit image : L-Q Chen Group, Penn State.
“Nous recherchons des états cachés de la matière en la faisant sortir de son état confortable, que nous appelons l’état fondamental”, a déclaré le professeur Venkatraman Gopalan de l’Université d’État de Pennsylvanie, co-auteur principal de l’étude.
“Nous y parvenons en excitant les électrons dans un état supérieur à l’aide d’un photon, puis en observant le matériau retomber dans son état normal. L’idée est que dans l’état excité, ou dans un état par lequel il passe pour un clin d’œil sur le chemin de l’état fondamental, nous trouverons des propriétés que nous souhaiterions avoir, comme de nouvelles formes d’états polaires, magnétiques et électroniques.”
La découverte de ces états se fait par une technique de pompe-sonde lorsqu’un laser envoie un photon sur l’échantillon pendant 100 femtosecondes à une longueur d’onde de 400 nm (lumière bleue).
La lumière de pompe excite les électrons dans un état d’énergie plus élevé et est rapidement suivie par une lumière de sonde, qui est une impulsion de lumière plus douce qui lit l’état du matériau.
Le défi pour le professeur Gopalan et ses co-auteurs était de trouver un moyen de maintenir l’état intermédiaire de la matière, car cet état peut n’exister que pendant une infime fraction de seconde, puis disparaître. Cependant, les chercheurs ont découvert qu’à température ambiante, le supercristal reste dans cet état pour toujours.
Ils y sont parvenus en “frustrant” le système, c’est-à-dire en ne permettant pas au matériau de faire ce qu’il veut faire, c’est-à-dire minimiser son énergie sans aucune contrainte.
Pour ce faire, les scientifiques ont utilisé des couches atomiques uniques de deux matériaux, le titanate de plomb et le titanate de strontium, empilées en couches alternées les unes sur les autres pour construire une structure en 3D.
Le titanate de plomb est un ferroélectrique, un matériau polaire qui présente une polarisation électrique conduisant à des pôles électriques positifs et négatifs dans le matériau. Le titanate de strontium n’est pas un matériau ferroélectrique. Ce décalage a forcé les vecteurs de polarisation électrique à prendre une trajectoire non naturelle, se recourbant sur eux-mêmes pour former des tourbillons, comme l’eau qui tourbillonne dans une canalisation.
L’équipe a fait croître ces couches au-dessus d’un substrat cristallin dont les cristaux avaient une taille intermédiaire entre les deux matériaux superposés. Cela a apporté un deuxième niveau de frustration, car la couche de titanate de strontium a essayé de s’étirer pour se conformer à la structure cristalline du substrat, et le titanate de plomb a dû se comprimer pour s’y conformer. Cela a placé l’ensemble du système dans un état délicat mais frustré, avec de multiples phases distribuées de manière aléatoire dans le volume.
À ce stade, les chercheurs ont soumis le matériau à une impulsion laser, qui libère des charges libres dans le matériau, ajoutant ainsi de l’énergie électrique supplémentaire au système, le transformant en un supercristal.
Ces supercristaux ont une cellule unitaire – l’unité répétitive la plus simple dans un cristal – beaucoup plus grande que n’importe quel cristal inorganique ordinaire, avec un volume un million de fois plus grand que les cellules unitaires des deux matériaux originaux. Le matériau trouve cet état par lui-même.
Contrairement aux états transitoires, cet état supercristallin reste potentiellement éternel à température ambiante – au moins un an dans cette étude – à moins qu’il ne soit chauffé à environ 350 degrés Fahrenheit (177 degrés Celsius) où il est effacé.
Le processus peut être répété en frappant le matériau avec une impulsion lumineuse et effacé en utilisant la chaleur. Cet état ne peut être créé que par des impulsions laser ultracourtes avec une certaine quantité minimale d’énergie de seuil, et non en étalant cette énergie sur de longues impulsions.
Les scientifiques ont également utilisé la diffraction des rayons X à haute énergie pour examiner le supercristal avant et après sa formation, montrant clairement la transformation de la matière désordonnée en un supercristal.
“En vertu de sa courte durée d’impulsion, un laser ultrarapide imprime des excitations dans les matériaux plus rapidement que leur temps de réponse intrinsèque”, a déclaré le premier auteur de l’étude, le Dr Vlad Stoica, chercheur postdoctoral à l’Université d’État de Pennsylvanie et à l’Argonne National Laboratory.
“Alors que de telles transformations dynamiques ont déjà été explorées pendant des décennies pour stimuler la mise en ordre des matériaux, une stratégie pour leur état d’équilibrela stabilisation semblait hors de portée jusqu’à présent.”
