Durant la dernière décennie, de nombreuses études de physique ont exploré comment les champs électriques oscillants produits par des lasers ou des sources micro-ondes peuvent être utilisés pour modifier dynamiquement les propriétés des matériaux à la demande. Dans une nouvelle étude présentée dans Physique de la nature , deux chercheurs de l'Université de Copenhague et de l'Université technologique de Nanyang (NTU), à Singapour, se sont appuyés sur les conclusions de ces études, découvrir un mécanisme par lequel un métal interagissant non magnétique peut magnétiser spontanément.

"Des expériences récentes en nanoplasmonique ont montré que lorsque les électrons des systèmes métalliques à l'échelle nanométrique sont excités collectivement, ils peuvent, En réalité, produisent à eux seuls des champs électriques oscillants extrêmement intenses, "Marc Rudner, l'un des chercheurs qui a mené l'étude, dit Phys.org. « À la lumière de ce constat, nous avons entrepris de découvrir quels nouveaux phénomènes pourraient survenir lorsque ces « champs internes » au sein d'un matériau se répercutent pour modifier les propriétés du matériau lui-même. »

Les champs internes auxquels Rudner fait référence sont des champs électriques oscillants intenses qui proviennent d'oscillations de charge dans un métal, connu sous le nom de plasmons. Les plasmons sont souvent utilisés pour confiner la lumière à des échelles de longueur bien inférieures à sa longueur d'onde d'origine à l'échelle nanométrique, ainsi que pour guider sa propagation à travers des dispositifs. Le comportement détaillé d'un plasmon (par exemple la fréquence à laquelle il oscille, sa chiralité, etc.) dépend directement des propriétés d'un matériau, comme sa structure de bande électronique.

"Typiquement, ces spécificités matérielles sont considérées comme des quantités fixes du matériau choisi; pour obtenir un type de plasmon différent, il faudrait classiquement utiliser un matériau différent, " Justin Chanson, l'autre chercheur impliqué dans l'étude, dit Phys.org. « Nous nous sommes demandé s'il existait un moyen de contourner cette contrainte. si les champs internes puissants d'un plasmon pouvaient modifier la structure de bande électronique d'un matériau, changeant ainsi les propriétés du matériau, cela transformerait aussi le plasmon, la mise en place d'une boucle de rétroaction permettant au plasmon d'adopter de nouveaux comportements."

Une fois qu'ils ont réalisé que les champs internes oscillants dans un matériau excité peuvent modifier ses propriétés électroniques, Rudner et Song ont entrepris de démontrer ce concept dans la configuration la plus simple possible. Ils ont donc décidé d'étudier des disques de graphène à l'échelle nanométrique, car le graphène est un matériau largement disponible et de haute qualité qui présente des caractéristiques favorables pour observer cet effet. En utilisant cette configuration, ils ont démontré les conditions dans lesquelles la rétroaction des champs internes des modes collectifs pouvait déclencher une instabilité vers une aimantation spontanée dans le système.

"Nous avons théoriquement analysé comment les plasmons d'un disque de graphène se sont transformés sous une irradiation polarisée linéairement et avons constaté que lorsque l'intensité lumineuse était faible, le plasmon doit osciller dans le même sens que la polarisation de la lumière, " Song a expliqué. " Cependant, au-dessus d'une intensité critique, notre analyse théorique a indiqué que le plasmon peut spontanément choisir de tourner, acquérir une maniabilité qui n'était pas présente à l'origine dans le disque métallique ni dans la lumière irradiante. De cette façon, les plasmons acquièrent une 'vie séparée' (choisissant spontanément une chiralité) distincte à la fois de celle du matériau qui l'accueille (le disque métallique) ainsi que de celle du champ lumineux qui l'anime (l'irradiation polarisée linéairement)."

Dans leur étude, Rudner et Song ont montré que les modes collectifs des systèmes pilotés peuvent parfois prendre une « vie propre, " présentant des phénomènes de rupture de symétrie uniques et spontanés qui sont indépendants de la phase d'équilibre sous-jacente. Bien que les chercheurs aient illustré ce principe à l'aide de disques de graphène à l'échelle nanométrique, elle s'applique également à d'autres matériaux.

"L'observation clé lors de la réalisation de notre analyse était que, du point de vue d'un électron dans un matériau, un champ électrique est un champ électrique :peu importe que ce champ oscillant ait été produit par un laser éclairant le matériau de l'extérieur (comme précédemment étudié), ou collectivement par tous les autres électrons dans le matériau lui-même, " Rudner a déclaré. "Cela ouvre un monde de nouvelles possibilités dans lesquelles les champs internes produits par des excitations collectives dans les matériaux peuvent conduire à une variété de nouveaux phénomènes."

Comme l'expliquent Rudner et Song, les propriétés des modes collectifs, comme les plasmons, sont généralement « verrouillés » à leur matériel hôte. De façon intéressante, cependant, leurs observations prouvent que les plasmons peuvent défier ce « verrouillage » à leur matériel hôte. En d'autres termes, leur étude montre que les plasmons peuvent avoir des phases distinctes du matériau sous-jacent qui les héberge.

L'étude menée par Rudner et Song offre de nouvelles informations précieuses sur la façon dont les champs électriques oscillants dans les matériaux, en particulier les métaux non magnétiques, peuvent altérer certaines de leurs propriétés. Jusque là, les chercheurs se sont concentrés sur les phases distinctes des plasmons, mais ils envisagent maintenant d'examiner d'autres modes collectifs qui pourraient présenter des phénomènes de rupture de symétrie similaires.

"Nous espérons voir nos prédictions confirmées par des expériences dans un proche avenir, " Rudner a dit. " Sur un plan théorique, il y a beaucoup de questions fondamentales à explorer sur la nature de la brisure spontanée de symétrie hors équilibre que nous avons prédite, ainsi que des extensions à d'autres systèmes physiques et types de comportements. Nous prévoyons également d'étudier les applications possibles de ce phénomène, par exemple en optoélectronique."

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