Au cours des dernières décennies, les ordinateurs sont devenus plus rapides et les disques durs et puces de stockage ont atteint des capacités énormes. Mais cette tendance ne peut pas durer éternellement. Les limites physiques empêchent la technologie informatique à base de silicium d'atteindre des gains de vitesse supplémentaires. Les chercheurs sont optimistes quant au fait que la prochaine ère de progrès technologiques commencera par le développement de nouveaux matériaux et technologies de traitement de l'information qui combinent des circuits électriques avec des circuits optiques. En utilisant de courtes impulsions laser, une équipe de recherche dirigée par Misha Ivanov du Max Born Institute de Berlin, avec des scientifiques du Russian Quantum Center à Moscou, a mis en lumière les processus extrêmement rapides qui se déroulent au sein de ces nouveaux matériaux. Leurs résultats apparaissent dans Photonique de la nature .

Les systèmes fortement corrélés sont particulièrement intéressants pour la recherche moderne sur les matériaux en physique du solide, qui présentent de fortes interactions entre les électrons. Les aimants en sont un bon exemple :les électrons des aimants s'alignent dans une direction de spin préférée à l'intérieur du matériau, produisant le champ magnétique. Mais il y en a d'autres, des ordres structurels entièrement différents qui méritent notre attention. Par exemple, dans des isolateurs dits de Mott, les électrons doivent circuler librement et les matériaux doivent donc pouvoir conduire l'électricité aussi bien que les métaux. Mais l'interaction mutuelle entre les électrons dans ces matériaux fortement corrélés entrave leur écoulement, et donc les matériaux se comportent plutôt comme des isolants.

En perturbant cet ordre avec une forte impulsion laser, les propriétés physiques peuvent être amenées à changer radicalement. Cela peut être comparé à une transition de phase du solide au liquide - lorsque la glace fond, par exemple, les cristaux de glace rigides se transforment en molécules d'eau à écoulement libre. De façon très similaire, les électrons dans un matériau fortement corrélé deviennent libres de circuler lorsqu'une impulsion laser externe force une transition de phase dans leur ordre structurel. De telles transitions de phase devraient permettre aux chercheurs de développer des éléments de commutation entièrement nouveaux pour l'électronique de nouvelle génération qui sont plus rapides et potentiellement plus économes en énergie que les transistors actuels. En théorie, les ordinateurs pourraient être rendus environ 1000 fois plus rapides en "turbo-chargeant" leurs composants électriques avec des impulsions lumineuses.

Le problème avec l'étude de ces transitions de phase est qu'elles sont extrêmement rapides, et il est donc très difficile de les prendre en flagrant délit. Les scientifiques ont dû se contenter de caractériser l'état d'un matériau avant et après une telle transition de phase. Cependant, chercheurs Rui E. F. Silva, Olga Smirnova, et Misha Ivanov de l'Institut Max Born de Berlin ont maintenant mis au point une méthode qui, au vrai sens du terme, faire la lumière sur le processus. Leur théorie implique un tir extrêmement court, des impulsions laser sur mesure sur un matériau - des impulsions ne sont désormais possibles que dans la qualité appropriée grâce aux derniers développements en matière de lasers. Ils ont observé la réaction du matériau à ces impulsions pour voir comment les électrons du matériau sont excités en mouvement, et, comme une cloche, émettent des vibrations résonantes à des fréquences spécifiques sous forme d'harmoniques de la lumière incidente.

"En analysant ce spectre harmonique élevé, nous pouvons observer le changement d'ordre structurel dans ces matériaux fortement corrélés en direct pour la première fois, " explique le premier auteur Rui Silva de l'Institut Max Born. Les sources laser capables de déclencher précisément ces transitions sont des développements récents. Les impulsions laser doivent être suffisamment fortes et extrêmement brèves, de l'ordre de la femtoseconde (millionième de milliardième de seconde).

Dans certains cas, il suffit d'une seule oscillation de lumière pour perturber l'ordre électronique d'un matériau et transformer un isolant en un conducteur métallique. Les scientifiques de l'Institut Max Born de Berlin sont parmi les plus grands experts mondiaux dans le domaine des impulsions laser ultracourtes. "Si nous voulons utiliser la lumière pour contrôler les propriétés des électrons dans un matériau, alors nous devons savoir exactement comment les électrons réagiront aux impulsions lumineuses, " explique Ivanov. Avec les sources laser de dernière génération, qui permettent un contrôle total du champ électromagnétique même jusqu'à une seule oscillation, la méthode récemment publiée permettra de mieux comprendre les matériaux du futur.