Dans les expériences au SLAC, des impulsions uniques de lumière laser ont été utilisées pour faire passer le disulfure de tantale d'un état à un autre et vice-versa. Dans le sens des aiguilles d'une montre à partir de la gauche :une seule impulsion lumineuse fait tourner le matériau de sa position initiale, état alpha (rouge) en un mélange d'états alpha et bêta (bleu) séparés par des parois de domaine (à droite). Une seconde impulsion lumineuse dissout les parois du domaine et le matériau revient à son état d'origine. Des commutateurs comme celui-ci pourraient potentiellement conduire au développement de nouveaux types de périphériques de stockage de données. Crédit :Avancées scientifiques
Des scientifiques du SLAC National Accelerator Laboratory du ministère de l'Énergie et du Massachusetts Institute of Technology ont démontré un moyen étonnamment simple de faire basculer un matériau d'un état à un autre, et puis de nouveau, avec des flashs uniques de lumière laser.
Ce comportement de commutation est similaire à ce qui se passe dans les matériaux de stockage de données magnétiques, et le passage à la lumière laser pourrait offrir une nouvelle façon de lire et d'écrire des informations dans les dispositifs de stockage de données de nouvelle génération, parmi d'autres applications inédites, dit Nuh Gedik, chercheur principal de l'étude au MIT. L'équipe a présenté ses résultats aujourd'hui dans Avancées scientifiques .
Ondes gelées d'électrons
Dans les appareils d'aujourd'hui, les informations sont stockées et récupérées en retournant le spin des électrons avec un champ magnétique. "Mais ici, nous avons inversé une propriété matérielle différente connue sous le nom d'ondes de densité de charge, " dit Alfred Zong, un étudiant diplômé du groupe de Gedik et l'un des principaux auteurs de l'étude.
Les ondes de densité de charge sont des pics et des creux périodiques dans la façon dont les électrons sont distribués dans un matériau. Ils sont immobiles, comme des vagues glacées sur un lac gelé. Les scientifiques veulent en savoir plus sur ces ondes car elles coexistent souvent avec d'autres propriétés matérielles intéressantes, comme la capacité de conduire l'électricité sans perte à des températures relativement élevées, et pourraient potentiellement être liés à ces propriétés.
Cette image de microscopie électronique à transmission montre une paroi de domaine (marquée de cercles jaunes) entre deux états différents, alpha (zone rouge) et bêta (zone bleue), dans un cristal de disulfure de tantale. L'état bêta et la paroi du domaine se sont formés après que le cristal a été frappé avec une seule impulsion lumineuse. Crédit :Avancées scientifiques
La nouvelle étude portait sur le disulfure de tantale, un matériau avec des ondes de densité de charge qui sont toutes orientées dans la même direction dans ce qu'on appelle l'état alpha. Lorsque les chercheurs ont zappé un fin cristal du matériau avec une très brève impulsion laser, certaines des ondes ont basculé dans un état bêta avec une orientation électronique différente, et les régions alpha et bêta étaient séparées par des parois de domaine. Un deuxième éclair de lumière a dissous les parois du domaine et a ramené le matériau à son état alpha pur.
Interrupteur de matériau surprenant
Ces changements dans la matière, qui n'avait jamais été vu auparavant, ont été détectés avec l'instrument du SLAC pour la diffraction ultrarapide des électrons (UED), une "caméra à électrons" à grande vitesse qui sonde les mouvements de la structure atomique d'un matériau avec un puissant faisceau d'électrons très énergétiques.
"Nous cherchions d'autres effets dans notre expérience, nous avons donc été complètement surpris lorsque nous avons vu que nous pouvions écrire et effacer des murs de domaine avec des impulsions lumineuses uniques, " dit Xijie Wang, chef du groupe UED du SLAC.
Les modèles d'intensité enregistrés avec la « caméra à électrons » du SLAC ont montré aux chercheurs comment la structure atomique d'un cristal de disulfure de tantale réagissait aux éclairs laser, passer d'un état alpha (à gauche) à un état alpha/bêta (à droite) et inversement. Les modèles d'intensité ont été utilisés pour reconstruire la structure atomique. Crédit :Avancées scientifiques
Anshul Kogar, chercheur postdoctoral dans le groupe de Gedik, dit, "Les murs de domaine sont une caractéristique particulièrement intéressante car ils ont des propriétés qui diffèrent du reste du matériau." Par exemple, ils pourraient jouer un rôle dans le changement drastique observé dans la résistance électrique du disulfure de tantale lorsqu'il est exposé à des impulsions lumineuses ultracourtes, qui a été précédemment observé par un autre groupe.
Xiaozhe Shen, scientifique du SLAC, l'un des principaux auteurs de l'étude dans l'équipe de Wang, dit, « UED nous a permis d'analyser en détail comment les domaines se sont formés au fil du temps, quelle était leur taille et comment ils étaient distribués dans le matériel."
Les chercheurs ont également découvert qu'ils peuvent affiner le processus en ajustant la température du cristal et l'énergie de l'impulsion lumineuse, leur donnant le contrôle sur le commutateur de matériau. Dans une prochaine étape, l'équipe veut gagner encore plus de contrôle, par exemple en façonnant l'impulsion lumineuse d'une manière qui permet de générer des motifs de domaine particuliers dans le matériau.
"Le fait que l'on puisse accorder un matériau de manière très simple semble très fondamental, " dit Wang. " Si fondamental, En réalité, que cela pourrait s'avérer être une étape importante vers l'utilisation de la lumière pour créer les propriétés matérielles exactes que nous voulons."
