Plasmas - gaz chauds constitués d'électrons en mouvement chaotique, ions, atomes et molécules - comprennent l'intérieur des étoiles, mais les scientifiques peuvent les créer artificiellement en utilisant un équipement spécial en laboratoire. Si un plasma entre en contact avec un solide, comme le mur de l'équipement de laboratoire, dans certaines circonstances, la paroi est modifiée fondamentalement et durablement :des atomes et des molécules du plasma peuvent se déposer sur le matériau solide, ou les ions de plasma énergétiques peuvent faire tomber des atomes du solide, et ainsi déformer voire détruire sa surface. Une équipe de l'Institut de physique théorique et d'astrophysique de l'Université de Kiel (CAU) a maintenant découvert un nouvel effet surprenant dans lequel les propriétés électroniques du matériau solide, comme sa conductivité électrique, peut être modifié par impact ionique de manière contrôlée, manière extrêmement rapide et réversible. Leurs résultats ont été récemment publiés dans Lettres d'examen physique .

Depuis plus de 50 ans, des scientifiques des domaines de la physique des plasmas et de la science des matériaux ont étudié les processus à l'interface entre les plasmas et les solides. Cependant, jusqu'à récemment, les processus qui se produisent à l'intérieur du solide n'étaient décrits que de manière simplifiée. Ainsi, des prédictions précises n'ont pas été possibles, et les nouvelles applications technologiques sont généralement trouvées par essais et erreurs.

Les scientifiques de Kiel étudient également l'interface plasma-solide depuis de nombreuses années, développer de nouveaux diagnostics expérimentaux, modèles théoriques et applications technologiques. Mais dans leur étude récemment publiée, l'équipe de recherche dirigée par le professeur Michael Bonitz a atteint un nouveau niveau de précision de simulation. Ils ont examiné les processus dans le solide avec une résolution temporelle élevée et ont pu observer en temps réel comment les solides réagissent lorsqu'ils sont bombardés d'ions plasmatiques énergétiques.

Pour décrire ces processus ultrarapides à l'échelle de quelques femtosecondes, un quadrillionième de seconde, l'équipe a appliqué la précision à plusieurs particules, méthodes de simulation de la mécanique quantique pour la première fois. "Il s'est avéré que les ions peuvent exciter de manière significative les électrons dans le solide. En conséquence, deux électrons peuvent occuper une même position sur le réseau, et forment ainsi un soi-disant doublon, " explique Bonitz. Cet effet se produit dans certaines nanostructures, par exemple, dans les nanorubans de graphène. Ce sont des bandes constituées d'une seule couche d'atomes de carbone, qui ont des applications possibles dans la nanoélectronique en raison de leurs propriétés mécaniques et électriques uniques qui incluent une flexibilité et une conductivité extrêmement élevées. Par la production contrôlée de ces doublons, il peut devenir possible de modifier les propriétés de ces nanorubans de manière contrôlée.

"En outre, nous avons pu prédire que cet effet peut également être observé dans les réseaux optiques dans les gaz ultra-froids, " dit Bonitz. Ainsi, les résultats des scientifiques de Kiel sont également importants, même au-delà des limites du domaine de l'interaction plasma-solide. Maintenant, les physiciens recherchent les conditions optimales dans lesquelles l'effet peut également être vérifié expérimentalement dans des plasmas créés en laboratoire.