Des scientifiques de l'Université de Constance et de l'Université de Paderborn ont réussi à produire et à démontrer pour la première fois ce que l'on appelle la localisation Wannier-Stark. Ce faisant, les physiciens ont réussi à surmonter des obstacles jusque-là considérés comme insurmontables dans le domaine de l'optoélectronique et de la photonique. La localisation de Wannier-Stark provoque un déséquilibre extrême au sein du système électrique des solides cristallins. "Cet effet fondamental a été prédit il y a plus de 80 ans. Mais il est resté difficile de savoir depuis si cet état peut être réalisé dans un cristal en vrac, C'est, au niveau des liaisons chimiques entre atomes, " dit le professeur Alfred Leitenstorfer, professeur de physique expérimentale à l'Université de Constance. Des analogues de l'effet n'ont jusqu'à présent été démontrés que dans des systèmes artificiels comme les super-réseaux semi-conducteurs ou les gaz atomiques ultrafroids. Dans un solide en vrac, La localisation Wannier-Stark ne peut être maintenue que pendant une période de temps extrêmement courte, plus courte qu'une simple oscillation de lumière infrarouge. En utilisant les systèmes laser ultrarapides de l'Université de Constance, La localisation de Wannier-Stark a maintenant été démontrée pour la première fois. L'expérience a été menée dans un cristal d'arséniure de gallium de haute pureté développé à l'ETH Zurich par croissance épitaxiale. Les résultats de la recherche ont été publiés dans la revue scientifique Communication Nature le 23 juillet 2018.

Un cristal peut être visualisé comme une grille tridimensionnelle composée de petites perles qui se repoussent et ne sont maintenues ensemble que par des élastiques. Le système reste stable tant que l'élastique est aussi fort que la répulsion l'est. Si c'est le cas, les perles ne se rapprochent pas les unes des autres, ils ne s'éloignent pas non plus l'un de l'autre – la distance entre eux reste à peu près la même. La localisation de Wannier-Stark se produit lorsque les élastiques sont retirés brusquement. C'est l'état électronique qui se produit au moment précis où les élastiques sont déjà partis mais les billes restent toujours en place :les liaisons chimiques qui maintiennent le cristal ensemble ont été suspendues.

Si cet état est maintenu trop longtemps, les perles se briseront et le cristal se dissout. Pour analyser la localisation de Wannier-Stark, les physiciens ont dû retirer les structures stabilisatrices, capturer le système dans une fraction d'une oscillation lumineuse à l'aide d'impulsions lumineuses, et enfin de le stabiliser à nouveau pour éviter que les atomes ne se brisent. L'expérience a été rendue possible grâce au champ électrique très intense d'une impulsion lumineuse infrarouge ultracourte, qui n'est présent dans le cristal que pendant quelques femtosecondes. « C'est notre spécialité :étudier des phénomènes qui n'existent qu'à des échelles de temps très courtes, " explique Alfred Leitenstorfer.

"Dans les isolants et semi-conducteurs parfaits, les états électroniques s'étendent dans tout le cristal. Selon une prédiction vieille de 80 ans, cela change dès que la tension électrique est appliquée, " dit le professeur Torsten Meier de l'université de Paderborn. " Si le champ électrique à l'intérieur du cristal est suffisamment fort, les états électroniques peuvent être localisés à quelques atomes. Cet état est appelé l'échelle de Wannier-Stark, " explique le physicien.

"Un système qui s'écarte si fortement de son équilibre a des caractéristiques complètement nouvelles, " explique Alfred Leitenstorfer sur les raisons pour lesquelles cet état est si intéressant d'un point de vue scientifique. La localisation de courte durée de Wannier-Stark est en corrélation avec des changements drastiques de la structure électronique du cristal et des résultats, par exemple, dans une non-linéarité optique extrêmement élevée. Les scientifiques supposent également que cet état est chimiquement particulièrement réactif.

La toute première réalisation expérimentale de la localisation de Wannier-Stark dans un cristal d'arséniure de gallium a été rendue possible grâce à un rayonnement térahertz très intense avec des intensités de champ de plus de dix millions de volts par centimètre. L'application d'impulsions lumineuses optiques plus ultracourtes a entraîné des modifications des caractéristiques optiques du cristal, qui a contribué à prouver cet état. "Si l'on utilise des impulsions lumineuses suffisamment intenses constituées de quelques oscillations d'une dizaine de femtosecondes seulement, nous pouvons réaliser la localisation Wannier-Stark sur une courte période de temps, " précise Alfred Leitenstorfer. " Nos lectures correspondent aux considérations théoriques et aux simulations réalisées à la fois par ma propre équipe de recherche et par celle de mon collègue, Professeur Wolf Gero Schmidt, " ajoute Torsten Meier. Les chercheurs envisagent d'étudier plus en détail à l'avenir l'état extrême de la localisation de Wannier-Stark à l'échelle atomique et entendent rendre ses caractéristiques particulières utilisables.