Des chercheurs ont modifié la structure atomique d’un matériau thermoélectrique d’une manière unique grâce à des impulsions de lumière laser intense – une méthode qui pourrait permettre de créer de nouveaux matériaux dotés de propriétés spectaculaires qui n’existent pas dans la nature. Ils ont pu suivre et mesurer les mouvements atomiques à l’échelle de la femtoseconde avec le laser à électrons libres à rayons X Linac Coherent Light Source (LCLS) du SLAC National Accelerator Laboratory. Crédit : Greg Stewart/SLAC National Accelerator Laboratory
Des expériences de laser à rayons X montrent que la lumière intense déforme la structure d’un matériau thermoélectrique d’une manière unique, ouvrant une nouvelle voie pour contrôler les propriétés des matériaux.
Les matériaux thermoélectriques convertissent la chaleur en électricité et vice versa, et leurs structures atomiques sont étroitement liées à leurs performances.
Des chercheurs ont découvert comment modifier la structure atomique d’un matériau thermoélectrique très efficace, le séléniure d’étain, à l’aide d’impulsions intenses de lumière laser. Ce résultat ouvre une nouvelle voie pour améliorer les thermoélectriques et une foule d’autres matériaux en contrôlant leur structure, créant ainsi des matériaux dotés de nouvelles propriétés spectaculaires qui n’existent peut-être pas dans la nature.
“Pour cette catégorie de matériaux, c’est extrêmement important, car leurs propriétés fonctionnelles sont associées à leur structure”, a déclaré Yijing Huang, un étudiant diplômé de l’université de Stanford qui a joué un rôle important dans les expériences menées au SLAC National Accelerator Laboratory du ministère de l’énergie. “En changeant la nature de la lumière que vous mettez, vous pouvez adapter la nature du matériau que vous créez”.
Les expériences ont eu lieu au laser à électrons libres à rayons X du SLAC, la source de lumière cohérente Linac (LCLS). Les résultats ont été rapportés le 14 février 2022, dans Physical Review X et seront mis en évidence dans une collection spéciale consacrée à la science ultrarapide.
Chaleur contre lumière
Parce que les thermoélectriques convertissent la chaleur perdue en électricité, ils sont considérés comme une forme d’énergie verte. Générateurs thermoélectriques ont fourni de l’électricité pour le projet d’alunissage d’Apollo, et les chercheurs ont cherché des moyens de les utiliser pour convertir la chaleur du corps humain en électricité pour charger des gadgets, entre autres. Utilisés en sens inverse, ils créent un gradient de chaleur qui peut être utilisé pour refroidir le vin dans des réfrigérateurs sans pièces mobiles.
Le séléniure d’étain est considéré comme l’un des matériaux thermoélectriques les plus prometteurs, cultivé sous forme de cristaux individuels, qui sont relativement bon marché et faciles à fabriquer. Contrairement à de nombreux autres matériaux thermoélectriques, le séléniure d’étain ne contient pas de plomb, a expliqué M. Huang, et c’est un convertisseur de chaleur beaucoup plus efficace. Comme il est constitué de cristaux cubiques réguliers, semblables à ceux du sel gemme, il est également relativement facile à fabriquer et à bricoler.
Pour explorer la façon dont ces cristaux réagissent à la lumière, l’équipe a soumis le séléniure d’étain à des impulsions intenses de lumière laser proche de l’infrarouge afin de modifier sa structure. La lumière a excité les électrons des atomes de l’échantillon et a déplacé la position de certains de ces atomes, déformant ainsi leur disposition.
Une illustration montre comment la structure atomique du séléniure d’étain, un matériau cristallin qui peut convertir la chaleur en électricité, change lorsqu’il est exposé à la chaleur ou à une lumière laser ultrarapide. La structure du milieu est à température ambiante. Le chauffage (à gauche) déplace les atomes du haut et du bas un peu plus à gauche, de ce point de vue, et décale subtilement certains des autres atomes. Les scientifiques pensaient que l’exposition du matériau à une lumière laser ultrarapide aurait le même effet, mais les atomes se sont déplacés d’une nouvelle manière (à droite). Le laser à électrons libres à rayons X de SLAC, le LCLS, a permis aux chercheurs de voir ces mouvements atomiques et ces distorsions structurelles pour la première fois, ouvrant ainsi une nouvelle voie à la personnalisation des matériaux par la lumière. Crédit : Yijing Huang/Stanford University
Les chercheurs ont ensuite suivi et mesuré ces mouvements atomiques et les modifications de la structure des cristaux qui en résultent à l’aide des impulsions de lumière laser à rayons X du LCLS, qui sont suffisamment rapides pour capturer des changements qui se produisent en quelques millionièmes de milliardièmes de seconde.
“Vous avez besoin des impulsions ultrarapides et de la résolution atomique que le LCLS nous donne pour reconstruire où les atomes se déplacent”, a déclaré le co-auteur de l’étude, David Reis, professeur au SLAC et à Stanford et directeur du Stanford PULSE Institute. “Sans cela, nous nous serions trompés dans l’histoire”.
Un résultat surprenant
Ce résultat était tout à fait inattendu, et lorsque Huang a dit au reste de l’équipe ce qu’elle avait vu dans le…
les expériences, ils ont eu du mal à la croire.
Une façon éprouvée de modifier la structure atomique du séléniure d’étain est d’appliquer de la chaleur, ce qui modifie le matériau de manière prévisible et améliore effectivement les performances de ce matériau particulier. La sagesse conventionnelle était que l’application de la lumière laser produirait à peu près le même résultat que le chauffage.
Cette illustration de données provenant d’expériences réalisées avec le laser à électrons libres à rayons X de SLAC montre comment les atomes d’un matériau thermoélectrique appelé séléniure d’étain se sont déplacés (flèches rouges) de leur position à température ambiante lorsqu’ils ont été exposés à une lumière laser ultrarapide. Les cercles violets représentent les atomes de sélénium et les cercles verts les atomes d’étain. Les scientifiques avaient pensé que la chaleur et la lumière auraient le même effet, ce résultat a donc été une surprise. Cette étude ouvre une nouvelle voie pour façonner les structures et les propriétés connexes des matériaux à l’aide de la lumière. Crédit : Yijing Huang/Université de Stanford
“C’est ce que nous pensions au départ”, a déclaré Mariano Trigo, chercheur au Stanford Institute for Materials and Energy Sciences (SIMES) du SLAC.
“Mais après presque deux ans de discussion, Yijing a finalement convaincu le reste de l’équipe que non, nous conduisions le matériau vers une structure entièrement différente. Je pense que ce résultat va à l’encontre de l’intuition de la plupart des gens sur ce qui se passe lorsqu’on excite des électrons à des niveaux d’énergie plus élevés.”
Les calculs théoriques de Shan Yang, un étudiant diplômé de l’Université Duke, ont confirmé que cette interprétation des données expérimentales était la bonne.
“Ce matériau et sa classe sont certainement très intéressants, car c’est un système où de petits changements pourraient conduire à des résultats très différents”, a déclaré Reis. “Mais la capacité de fabriquer des structures entièrement nouvelles avec la lumière – des structures que nous ne savons pas fabriquer d’une autre manière – est vraisemblablement plus universelle que cela.”
Il a ajouté que l’un des domaines où la lumière pourrait être utile est la recherche, vieille de plusieurs décennies, de supraconducteurs – des matériaux qui conduisent l’électricité sans perte – qui fonctionnent à une température proche de la température ambiante.
Référence : “Observation of a Novel Lattice Instability in Ultrafast Photoexcited SnSe” par Yijing Huang, Shan Yang, Samuel Teitelbaum, Gilberto De la Peña, Takahiro Sato, Matthieu Chollet, Diling Zhu, Jennifer L. Niedziela, Dipanshu Bansal, Andrew F. May, Aaron M. Lindenberg, Olivier Delaire, David A. Reis et Mariano Trigo, 14 février 2022, Physical Review X.
DOI: 10.1103/PhysRevX.12.011029
Des chercheurs du Oak Ridge National Laboratory du DOE ont également contribué à cette étude, qui a été financée par le DOE Office of Science. Les travaux préliminaires ont été effectués au Stanford Synchrotron Radiation Lightsource (SSRL) du SLAC. Le SSRL et le LCLS sont des installations d’utilisateurs du DOE Office of Science.
