Pour étudier les changements de phase des matériaux, comme la congélation et la décongélation, les chercheurs ont utilisé des ondes de densité de charge - des ondulations électroniques analogues à la structure cristalline d'un solide. Ils ont découvert que lorsque le changement de phase est déclenché par une impulsion de lumière laser, au lieu d'un changement de température, ça se passe très différemment, en commençant par une collection de distorsions de type tourbillon appelées défauts topologiques. Cette illustration dépeint un tel défaut perturbant le modèle ordonné d'ondulations parallèles. Crédit :Massachusetts Institute of Technology
La façon dont les matériaux ordinaires subissent un changement de phase, comme la fonte ou la congélation, a été étudiée en détail. Maintenant, une équipe de chercheurs a observé que lorsqu'ils déclenchent un changement de phase en utilisant des impulsions intenses de lumière laser, au lieu de changer la température, le processus se déroule très différemment.
Les scientifiques soupçonnaient depuis longtemps que cela pouvait être le cas, mais le processus n'a pas été observé et confirmé jusqu'à présent. Avec cette nouvelle compréhension, les chercheurs pourraient être en mesure d'exploiter le mécanisme pour une utilisation dans de nouveaux types de dispositifs optoélectroniques.
Les résultats inhabituels sont rapportés aujourd'hui dans le journal Physique de la nature . L'équipe était dirigée par Nuh Gedik, professeur de physique au MIT, avec l'étudiant diplômé Alfred Zong, post-doctorant Anshul Kogar, et 16 autres au MIT, Université de Stanford, et l'Institut des sciences et technologies de Skolkovo (Skoltech) en Russie.
Pour cette étude, au lieu d'utiliser un vrai cristal comme de la glace, l'équipe a utilisé un analogue électronique appelé onde de densité de charge - une modulation de densité électronique gelée dans un solide - qui imite étroitement les caractéristiques d'un solide cristallin.
Alors que le comportement de fusion typique d'un matériau comme la glace se déroule de manière relativement uniforme à travers le matériau, lorsque la fusion est induite dans l'onde de densité de charge par des impulsions laser ultrarapides, le processus a fonctionné tout à fait différemment. Les chercheurs ont découvert que lors de la fusion induite optiquement, le changement de phase s'effectue en générant de nombreuses singularités dans le matériau, connu sous le nom de défauts topologiques, et ceux-ci affectent à leur tour la dynamique des électrons et des atomes du réseau qui s'ensuit dans le matériau.
Ces défauts topologiques, Gedik explique, sont analogues à de minuscules tourbillons, ou des tourbillons, qui se produisent dans des liquides tels que l'eau. La clé pour observer ce processus de fusion unique était l'utilisation d'un ensemble de techniques de mesure extrêmement rapides et précises pour saisir le processus en action.
L'impulsion laser rapide, moins d'une picoseconde (milliardièmes de seconde), simule le type de changements de phase rapides qui se produisent. Un exemple de transition de phase rapide est la trempe, par exemple en plongeant soudainement un morceau de fer rouge semi-fondu dans l'eau pour le refroidir presque instantanément. Ce processus diffère de la façon dont les matériaux changent par chauffage ou refroidissement progressif, où ils ont suffisamment de temps pour atteindre l'équilibre, c'est-à-dire pour atteindre une température uniforme à chaque étape du changement de température.
Bien que ces changements de phase induits optiquement aient déjà été observés, le mécanisme exact par lequel ils procèdent n'était pas connu, dit Gedik.
L'équipe a utilisé une combinaison de trois techniques, connu sous le nom de diffraction ultrarapide des électrons, réflectivité transitoire, et la spectroscopie de photoémission résolue en temps et en angle, pour observer simultanément la réponse à l'impulsion laser. Pour leur étude, ils ont utilisé un composé de lanthane et de tellure, LaTe3, qui est connu pour héberger des ondes de densité de charge. Ensemble, ces instruments permettent de suivre les mouvements des électrons et des atomes dans le matériau à mesure qu'ils changent et répondent à l'impulsion.
Dans les expériences, Gedik dit, "nous pouvons regarder, et faire un film de, les électrons et les atomes au fur et à mesure que l'onde de densité de charge fond, " puis continuer à regarder la structure ordonnée se resolidifier. Les chercheurs ont pu clairement observer et confirmer l'existence de ces défauts topologiques de type vortex.
Ils ont également constaté que le temps de la consolidation, qui entraîne la dissolution de ces défauts, n'est pas uniforme, mais se déroule sur plusieurs échelles de temps. L'intensité, ou d'amplitude, de l'onde de densité de charge récupère beaucoup plus rapidement que l'ordre du réseau. Cette observation n'a été possible qu'avec la suite de techniques résolues en temps utilisées dans l'étude, chacun offrant une perspective unique.
Zong dit qu'une prochaine étape de la recherche sera d'essayer de déterminer comment ils peuvent "concevoir ces défauts de manière contrôlée". Potentiellement, qui pourrait être utilisé comme système de stockage de données, "utiliser ces impulsions lumineuses pour écrire des défauts dans le système, puis une autre impulsion pour les effacer."
