Illustration du montage et de l'interaction d'une courte impulsion laser (ligne oscillante rouge) avec le réseau d'atomes de titane (centre, moitié inférieure de la figure). Les structures rouges et bleues représentent la redistribution de la densité électronique au voisinage d'un atome de titane. Un gros plan de ce changement de densité est montré en bas à droite. Crédit :ETH Zurich/D-PHYS Groupe de physique des lasers ultrarapides
Des chercheurs du département de physique de l'ETH Zurich ont mesuré comment les électrons des métaux dits de transition sont redistribués en une fraction d'un cycle d'oscillation optique. Ils ont observé que les électrons se concentraient autour des atomes métalliques en moins d'une femtoseconde. Ce regroupement pourrait influencer les propriétés macroscopiques importantes de ces composés, comme la conductivité électrique, magnétisation ou caractéristiques optiques. Le travail propose donc une piste pour contrôler ces propriétés sur des échelles de temps extrêmement rapides.
La distribution des électrons dans les métaux de transition, qui représentent une grande partie du tableau périodique des éléments chimiques, est responsable de bon nombre de leurs propriétés intéressantes utilisées dans les applications. Les propriétés magnétiques de certains des membres de ce groupe de matériaux sont, par exemple, exploité pour le stockage de données, tandis que d'autres présentent une excellente conductivité électrique. Les métaux de transition ont également un rôle décisif pour de nouveaux matériaux au comportement plus exotique qui résulte de fortes interactions entre les électrons. De tels matériaux sont des candidats prometteurs pour un large éventail d'applications futures.
Dans leur expérience, dont ils rapportent les résultats dans un article publié aujourd'hui dans Physique de la nature , Mikhail Volkov et ses collègues du groupe de physique des lasers ultrarapides du professeur Ursula Keller ont exposé des feuilles minces des métaux de transition titane et zirconium à de courtes impulsions laser. Ils ont observé la redistribution des électrons en enregistrant les changements résultants des propriétés optiques des métaux dans le domaine de l'extrême ultraviolet (XUV). Afin de pouvoir suivre les changements induits avec une résolution temporelle suffisante, Impulsions XUV d'une durée de seulement quelques centaines d'attosecondes (10 -18 s) ont été utilisés dans la mesure. En comparant les résultats expérimentaux avec des modèles théoriques, développé par le groupe du professeur Angel Rubio à l'Institut Max Planck pour la structure et la dynamique de la matière à Hambourg, les chercheurs ont établi que le changement se déroulant en moins d'une femtoseconde (10 -15 s) est due à une modification de la localisation des électrons au voisinage des atomes métalliques. La théorie prédit également que dans les métaux de transition avec des couches d'électrons externes plus fortement remplies, un mouvement opposé, c'est-à-dire une délocalisation des électrons - est à prévoir.
Contrôle ultra-rapide des propriétés des matériaux
La distribution des électrons définit les champs électriques microscopiques à l'intérieur d'un matériau, qui non seulement maintiennent un solide ensemble mais déterminent également dans une large mesure ses propriétés macroscopiques. En changeant la distribution des électrons, on peut ainsi aussi orienter les caractéristiques d'un matériau. L'expérience de Volkov et al. démontre que cela est possible sur des échelles de temps considérablement plus courtes que le cycle d'oscillation de la lumière visible (environ deux femtosecondes). Plus important encore est la constatation que les échelles de temps sont beaucoup plus courtes que le temps dit de thermalisation, qui est le temps pendant lequel les électrons effaceraient les effets d'un contrôle externe de la distribution des électrons par des collisions entre eux et avec le réseau cristallin.
Surprise initiale
Initialement, il était surprenant que l'impulsion laser conduise à une localisation accrue des électrons dans le titane et le zirconium. Une tendance générale dans la nature est que si les électrons liés reçoivent plus d'énergie, ils deviendront moins localisés. L'analyse théorique, qui supporte les observations expérimentales, ont montré que la localisation accrue de la densité électronique est un effet net résultant du remplissage plus fort des orbitales d caractéristiques partiellement remplies des atomes de métal de transition. Pour les métaux de transition dont les orbitales d sont déjà remplies à plus de la moitié (c'est-à-dire éléments plus vers la droite dans le tableau périodique), l'effet net est inverse et correspond à une délocalisation de la densité électronique.
Vers des composants électroniques plus rapides
Alors que le résultat maintenant rapporté est de nature fondamentale, les expériences démontrent la possibilité d'une modification très rapide des propriétés des matériaux. De telles modulations sont utilisées en électronique et en optoélectronique pour le traitement de signaux électroniques ou la transmission de données. Alors que les composants présents traitent les flux de signaux avec des fréquences dans le gigahertz (10 9 Hz), les résultats de Volkov et de ses collaborateurs indiquent la possibilité d'un traitement du signal aux fréquences pétahertz (10 15 Hz). Ces découvertes plutôt fondamentales pourraient donc éclairer le développement des prochaines générations de composants toujours plus rapides, et à travers cela, ils trouvent indirectement leur chemin dans notre vie quotidienne.
