Un laser puissant éclaire un matériau dans une chambre à basse température. Le laser est utilisé pour modifier le degré de transparence du matériau. Crédit : Caltech/Laboratoire David Hsieh
Imaginez des fenêtres qui peuvent facilement se transformer en miroirs, ou des ordinateurs à très grande vitesse qui ne fonctionnent pas avec des électrons mais avec de la lumière. Ce ne sont là que quelques-unes des applications potentielles qui pourraient émerger de l’ingénierie optique, la pratique consistant à utiliser des lasers pour modifier rapidement et temporairement les propriétés des matériaux.
“Ces outils pourraient vous permettre de transformer les propriétés électroniques des matériaux en appuyant simplement sur un interrupteur”, explique David Hsieh, professeur de physique à Caltech. “Mais les technologies ont été limitées par le problème des lasers créant trop de chaleur dans les matériaux.”
Dans une nouvelle étude en La nature, Hsieh et son équipe, y compris l’auteur principal et étudiant diplômé Junyi Shan, rapportent qu’ils ont réussi à utiliser des lasers pour sculpter de façon spectaculaire les propriétés des matériaux sans produire de chaleur excessive et dommageable.
« Les lasers requis pour ces expériences sont très puissants, il est donc difficile de ne pas chauffer et d’endommager les matériaux », explique Shan. « D’une part, nous souhaitons que le matériau soit soumis à une lumière laser très intense. D’un autre côté, nous ne voulons pas du tout que le matériau absorbe cette lumière.
L’équipe a trouvé un “point idéal” pour contourner ce problème, dit Shan, où la fréquence du laser est ajustée de manière à modifier de manière significative les propriétés du matériau sans transmettre de chaleur indésirable.
Junyi Shan. Crédit : Caltech
Les scientifiques disent également avoir trouvé un matériau idéal pour démontrer cette méthode. Le matériau, un semi-conducteur appelé trisulfure de manganèse et de phosphore, n’absorbe naturellement qu’une petite quantité de lumière sur une large gamme de fréquences infrarouges. Pour leurs expériences, Hsieh, Shan et leurs collègues ont utilisé des impulsions laser infrarouges intenses, chacune d’une durée d’environ 10 à 13 secondes, pour modifier rapidement l’énergie des électrons à l’intérieur du matériau. En conséquence, le matériau est passé d’un état très opaque à un état très transparent pour certaines couleurs de lumière.
Encore plus critique, disent les chercheurs, est que le processus est réversible. Lorsque le laser s’éteint, le matériau revient instantanément à son état d’origine complètement indemne. Cela ne serait pas possible si le matériau avait absorbé la lumière laser et s’était réchauffé, car il faudrait beaucoup de temps au matériau pour dissiper la chaleur. La manipulation sans chaleur utilisée dans le nouveau processus est connue sous le nom de « ingénierie optique cohérente ».
La méthode fonctionne parce que la lumière modifie les différences entre les niveaux d’énergie des électrons dans le semi-conducteur (appelés bandes interdites) sans envoyer les électrons eux-mêmes à différents niveaux d’énergie, ce qui génère de la chaleur.
David Hsieh. Crédit : Caltech
« C’est comme si vous aviez un bateau, puis une grosse vague arrive et secoue vigoureusement le bateau de haut en bas sans faire tomber aucun des passagers », explique Hsieh. « Notre laser fait basculer vigoureusement les niveaux d’énergie du matériau, ce qui modifie les propriétés des matériaux, mais les électrons restent sur place. »
Les chercheurs ont déjà théorisé comment cette méthode fonctionnerait. Par exemple, dans les années 1960, l’ancien élève de Caltech, Jon H. Shirley (PhD ’63), a avancé des idées mathématiques sur la façon de résoudre les niveaux d’énergie des électrons dans un matériau en présence de lumière. Sur la base de ces travaux, l’équipe Caltech de Hsieh a collaboré avec les théoriciens Mengxing Ye et Leon Balents de l’UC Santa Barbara pour calculer les effets attendus de l’éclairage laser dans le trisulfure de manganèse et de phosphore. La théorie correspondait aux expériences avec « remarquable » précision, dit Hsieh.
Les résultats, dit Hsieh, signifient que d’autres chercheurs peuvent désormais potentiellement utiliser la lumière pour créer artificiellement des matériaux, tels que des aimants quantiques exotiques, qui auraient été autrement difficiles, voire impossibles, à créer naturellement.
« En principe, cette méthode peut modifier les propriétés optiques, magnétiques et de nombreuses autres propriétés des matériaux », explique Shan. « C’est une façon alternative de faire de la science des matériaux. Plutôt que de fabriquer de nouveaux matériaux pour obtenir différentes propriétés, nous pouvons prendre un seul matériau et finalement lui donner un large éventail de propriétés utiles. »
Référence : « Giant modulation of Optical nonlinearity by Floquet engineering » par Jun-Yi Shan, M. Ye, H. Chu, Sungmin Lee, Je-Geun Park, L. Balents et D. Hsieh, 8 décembre 2021, La nature.
DOI : 10.1038 / s41586-021-04051-8
L’étude a été financée par le Army Research Office; la Fondation David et Lucile Packard ; la National Science Foundation via l’Institute for Quantum Information and Matter à Caltech et via UC Santa Barbara; la Fondation Gordon et Betty Moore ; et la Fondation nationale pour la recherche de Corée. D’autres auteurs incluent Hao Chu (PhD ’17), ainsi que Sungmin Lee et Je-Geun Park de l’Université nationale de Séoul.
