Illustration d'une lumière laser ultracourte frappant un cristal d'oxyde de lanthane strontium nickel, déclenchant la fonte des bandes à l'échelle atomique. Les charges (jaunes) deviennent rapidement mobiles tandis que les distorsions cristallines ne réagissent qu'avec retard, exposer les interactions sous-jacentes. Crédit :Robert Kaindl/Berkeley Lab
On trouve des rayures partout, des zèbres errant dans la nature à la dernière déclaration de mode. Dans le monde de la physique microscopique, des motifs de bandes périodiques peuvent être formés par des électrons dans des matériaux dits quantiques.
Les scientifiques du Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) du ministère de l'Énergie ont maintenant démêlé la dynamique intrigante de la fusion et de la formation de ces bandes à l'échelle atomique, fournir des informations fondamentales qui pourraient être utiles dans le développement de nouveaux matériaux énergétiques.
Dans les matériaux quantiques fortement corrélés, les interactions entre les électrons règnent en maître. Le couplage complexe de ces électrons les uns avec les autres - et avec les spins des électrons et les vibrations du cristal - entraîne des phases exotiques telles que l'ordre des charges ou la supraconductivité à haute température.
"Un objectif clé de la physique de la matière condensée est de comprendre les forces responsables des phases complexes et les transitions entre elles, " a déclaré Robert Kaindl, chercheur principal et membre du personnel scientifique de la division des sciences des matériaux du Berkeley Lab. "Mais dans le monde microscopique, les interactions sont souvent extrêmement rapides. Si nous chauffons ou refroidissons lentement un matériau pour changer sa phase, nous pouvons passer à côté de l'action sous-jacente."
Kaindl et ses collègues ont utilisé des impulsions laser ultrarapides pour distinguer la dynamique microscopique des matériaux quantiques corrélés afin d'accéder aux interactions entre les électrons et avec le réseau atomique du cristal dans le domaine temporel.
Pour cette étude, les chercheurs ont travaillé avec du nickelate de lanthane, un matériau quantique et un composé à rayures modèle. En particulier, les chercheurs ont étudié les charges électroniques qui forment le motif à rayures et comment elles se couplent au réseau cristallin.
La façon dont les charges interagissent avec le cristal est un ingrédient clé de la physique des rayures, les chercheurs ont dit.
Robert Kaindl (à gauche) et Giacomo Coslovich à côté de la configuration expérimentale qui génère des impulsions lumineuses ultracourtes dans le domaine spectral proche infrarouge et térahertz. Crédit :Lingkun Zeng/Laboratoire de Berkeley
"Le réseau cristallin se déforme fortement autour des bandes de charge, " dit Giacomo Coslovitch, qui a fait le travail alors qu'il était chercheur postdoctoral au Berkeley Lab. "Ce changement de la symétrie cristalline entraîne de nouvelles vibrations du réseau, que nous pouvons à leur tour détecter avec de la lumière à des fréquences térahertz."
Kaindl et Coslovich sont les auteurs correspondants d'un article rapportant ces résultats dans Avancées scientifiques .
Dans leurs expériences, le matériau est excité optiquement par une impulsion laser proche infrarouge d'une durée de 50 femtosecondes, et sondé avec une impulsion térahertz à retard variable. Une femtoseconde est un millionième d'un milliardième de seconde.
Les chercheurs ont découvert une dynamique inattendue lors de l'utilisation du laser pour perturber l'ordre microscopique.
"La chose intéressante est que tandis que le laser a immédiatement excité les électrons, les distorsions vibrationnelles dans le cristal sont initialement restées figées, " dit Coslovitch, qui est maintenant chercheur associé au SLAC National Accelerator Laboratory. "Les vibrations en phase de bande n'ont disparu qu'après plusieurs centaines à quelques milliers de femtosecondes. Nous avons également conclu que la vitesse dépend de la direction des interactions."
L'interprétation des expériences a été étayée par des simulations de la dispersion des phonons par Alexander Kemper de la North Carolina State University.
Les résultats fournissent des informations importantes sur les interactions, ou "colle, " qui couplent les électrons aux vibrations du réseau dans le nickelate de lanthane. Cependant, leur pertinence plus large découle d'observations récentes de l'ordre des charges dans les supraconducteurs à haute température - des matériaux où les courants électriques peuvent circuler sans résistance à des températures supérieures au point d'ébullition de l'azote liquide. Alors que le mécanisme reste déroutant, des études récentes ont démontré la capacité d'induire une supraconductivité en supprimant les bandes avec de courtes impulsions lumineuses.
"On pense que les bandes fluctuantes se produisent dans les supraconducteurs non conventionnels. Notre étude limite la vitesse à laquelle de tels modèles peuvent changer, " a déclaré Kaindl. " Cela souligne l'importance de considérer à la fois la structure spatiale et temporelle de la colle. "
