Une équipe de physiciens regarde les électrons rebondir sur la lumière

Depuis l’Antiquité, l’homme a essayé de concevoir des matériaux en combinant différents matériaux. Imaginez un monde où les propriétés des matériaux peuvent être modifiées de manière flexible à la demande en les éclairant simplement. Un groupe de physiciens de toute l’Europe vient de franchir une étape décisive vers cet objectif en enrobant de lumière les électrons se déplaçant dans un solide.

L’équipe, qui comprend des chercheurs des universités de Ratisbonne et de Marbourg, de l’Institut Max Planck pour la structure et la dynamique de la matière à Hambourg, de l’Institut Paul Scherrer à Villigen, en Suisse, et d’autres, a observé pour la première fois comment des états étranges, connus sous forme de rubans de flocite, naissent d’un cristal. La découverte a été publiée dans naturepourrait révolutionner notre façon de penser les propriétés des matériaux.

« La découverte des propriétés de nouveaux matériaux dépend généralement de notre capacité à contrôler la composition chimique de la matière », a déclaré le physicien de Marburg, le professeur Ulrich Hofer, auteur principal de l’article et également professeur adjoint à l’Université de Ratisbonne. « Un traitement purement visuel des propriétés des matériaux peut faire entrer la physique dans une nouvelle ère en permettant de nouvelles fonctions à la demande. »

L’équipe a utilisé la méthode de spectroscopie de photoémission d’angle pour étudier les électrons de surface du tellurure de bismuth isolé topologique. Dans ce matériau, les électrons peuvent se déplacer de manière extrusive pendant de longues périodes sans se disperser. En utilisant des impulsions lumineuses intenses, les chercheurs peuvent pousser périodiquement ces électrons à travers le cristal.

Cela a conduit à un étrange effet quantique, faisant que les électrons n’ont pas un seul état d’énergie stable, mais de nombreux états d’énergie régulièrement espacés par l’énergie du photon d’impulsion. Ces bandes dites flocket sont des hybrides entre les électrons et la lumière. « Cependant, les propriétés dynamiques de ces états sont restées insaisissables jusqu’à présent », explique le physicien de Ratisbonne, le professeur Dr. Robert Huber, un autre auteur principal.

Les mesures de l’équipe ont repoussé les limites de ce qui pouvait être réalisé jusqu’à présent avec cette technologie. Ils ont pu capturer des vidéos réelles d’électrons en mouvement avec une meilleure résolution temporelle qu’un seul cycle d’oscillation du porteur électromagnétique de la lumière. En conséquence, ils ont fait une découverte inattendue : « Étonnamment, les bandes de flock se forment en fait après un cycle visuel », explique le Dr Suguru Ito, premier auteur de la publication. « Notre expérience ouvre la possibilité de visualiser un grand nombre d’états quantiques transitoires », ajoute Huber. « Cela ouvre la voie à des fonctions quantiques sur mesure et à une électronique ultrarapide. »

Les résultats expérimentaux sont étayés par une modélisation théorique apportée par le Dr Michael Schuller de l’Institut Paul Scherer à Villigen, en Suisse, et le Dr Michael Sentff de l’Institut Max Planck pour la structure et la dynamique de la matière à Hambourg, en Allemagne.

Après avoir établi une limite de temps fondamentale pour l’ingénierie des matériaux induits par la lumière, la découverte surprenante de l’équipe pourrait inaugurer une nouvelle ère de la science des matériaux, permettant de créer de nouvelles fonctionnalités à la demande. Suivant cette voie, le Prof. Dr. Ulrich Hofer et le Prof. Dr. Robert Huber ont récemment reçu une bourse ERC Synergy Grant du Conseil européen de la recherche pour leur projet de recherche « Orbital Cinema », qui vise à capturer des vidéos au ralenti de mouvements électroniques dans orbites mécaniques quantiques de molécules et d’atomes simples.