Un groupe de chercheurs dirigé par Andrea Cavalleri à l'Institut Max Planck pour la structure et la dynamique de la matière (MPSD) à Hambourg a démontré une nouvelle méthode permettant des mesures précises des forces interatomiques qui maintiennent les solides cristallins ensemble. L'article Sonder le potentiel interatomique des solides par la phononique non linéaire à champ fort, publié en ligne dans La nature , explique comment une impulsion laser de fréquence térahertz peut entraîner de très grandes déformations du cristal. En mesurant les trajectoires atomiques très inhabituelles sous des transitoires électromagnétiques extrêmes, le groupe MPSD pourrait reconstituer la rigidité des liaisons atomiques à de grandes distances des arrangements d'équilibre. Cela promet de nouvelles connaissances sur les propriétés mécaniques de la matière et leur instabilité à proximité des changements de phase.

Les cristaux sont maintenus ensemble par des forces extrêmement puissantes, qui déterminent toutes leurs propriétés thermiques et mécaniques. La température à laquelle un matériau spécifique fond ou change de forme et la résistance du matériau aux distorsions de pression et de cisaillement sont tous déterminés par ce « champ de force ». C'est la base de toute description d'un matériau dans un manuel et est systématiquement calculé par des méthodes théoriques sophistiquées. Toujours, jusqu'à présent aucune expérience n'a pu valider quantitativement ces calculs ou du moins mesurer le champ de force.

Dans une étude récente du groupe MPSD dirigé par Andrea Cavalleri, des flashs laser ultracourts à des fréquences infrarouges moyennes ont été utilisés pour déplacer les atomes loin de leur arrangement d'équilibre. En mesurant comment les mêmes atomes ont été amenés à sonner après que l'impulsion ait été coupée, le groupe de recherche MPSD pourrait reconstituer la nature des forces qui maintiennent le cristal ensemble.

"Nous utilisons des champs laser puissants pour conduire les atomes à des déplacements où leur dynamique ne peut plus être décrite dans l'approximation harmonique, " explique Alexander von Hoegen, doctorat au MPSD et premier auteur de cet article. "Dans cette situation, les forces de rappel agissant sur les atomes ne sont plus linéaires proportionnelles aux déplacements à partir des positions d'équilibre, comme ils le seraient dans le cas de petites oscillations dans un pendule."

Une telle phononique non linéaire se manifeste par exemple par le fait que les atomes n'oscillent pas seulement à leur fréquence naturelle, mais aussi à plusieurs harmoniques, les harmoniques dites supérieures observées dans cette étude.

Les déplacements atomiques correspondants, énorme à l'échelle des distances interatomiques, ne sont pourtant que de l'ordre de quelques picomètres, c'est un millionième de milliardième de mètre. Les vibrations ont été tracées avec une seconde, impulsion laser encore plus courte. Bien que les atomes oscillent à des vitesses supérieures à 1000 m/s, leur mouvement pourrait être tracé en ultra-ralenti. Cette mesure résolue en temps était essentielle pour reconstruire les forces agissant sur les atomes.

Ce travail du MPSD établit un nouveau type de spectroscopie non linéaire qui capture l'une des propriétés microscopiques les plus fondamentales des matériaux, soulignant la puissance des nouvelles sources optiques avancées et ouvrant la voie à un avenir, classe d'expériences encore plus perspicace au laser à électrons libres à rayons X de Hambourg.