Ajout d'énergie à n'importe quel matériau, comme en le chauffant, rend presque toujours sa structure moins ordonnée. La glace, par exemple, avec sa structure cristalline, fond pour devenir de l'eau liquide, sans aucune commande.

Mais dans les nouvelles expériences des physiciens du MIT et d'ailleurs, l'inverse se produit :lorsqu'un motif appelé onde de densité de charge dans un certain matériau est frappé par une impulsion laser rapide, une toute nouvelle onde de densité de charge est créée - un état hautement ordonné, au lieu du trouble attendu. Cette découverte surprenante pourrait aider à révéler des propriétés inédites dans des matériaux de toutes sortes.

La découverte est rapportée aujourd'hui dans le journal Physique de la nature , dans un article des professeurs du MIT Nuh Gedik et Pablo Jarillo-Herrero, post-doctorant Anshul Kogar, étudiant diplômé Alfred Zong, et 17 autres au MIT, Université de Harvard, Laboratoire national des accélérateurs SLAC, Université de Stanford, et Laboratoire National d'Argonne.

Les expériences ont utilisé un matériau appelé tritellurure de lanthane, qui se forme naturellement en une structure en couches. Dans ce matériau, un motif ondulatoire d'électrons dans les régions à haute et basse densité se forme spontanément mais est confiné à une seule direction à l'intérieur du matériau. Mais lorsqu'il est frappé par une rafale ultrarapide de lumière laser, d'une durée inférieure à une picoseconde, ou sous un trillionième de seconde - ce modèle, appelée onde de densité de charge ou CDW, est effacé, et un nouveau CDW, perpendiculairement à l'original, apparaît dans l'existence.

Ce nouveau, Le CDW perpendiculaire est quelque chose qui n'a jamais été observé auparavant dans ce matériau. Il n'existe que pour un éclair, disparaissant en quelques picosecondes supplémentaires. Au fur et à mesure qu'il disparaît, l'original revient en vue, suggérant que sa présence avait été en quelque sorte supprimée par le nouveau.

Gedik explique que dans les matériaux ordinaires, la densité d'électrons au sein du matériau est constante dans tout son volume, mais dans certains matériaux, lorsqu'ils sont refroidis en dessous d'une certaine température spécifique, les électrons s'organisent en un CDW avec des régions alternées de haute et basse densité électronique. Dans le tritellurure de lanthane, ou tard 3 , le CDW est le long d'une direction fixe à l'intérieur du matériau. Dans les deux autres dimensions, la densité électronique reste constante, comme dans les matériaux ordinaires.

La version perpendiculaire du CDW qui apparaît après l'éclatement de la lumière laser n'a jamais été observée auparavant dans ce matériau, dit Gedik. Il "clignote brièvement, et puis c'est parti, " Kogar dit, être remplacé par le motif CDW d'origine qui revient immédiatement à la vue.

Gedik souligne que « c'est assez inhabituel. Dans la plupart des cas, lorsque vous ajoutez de l'énergie à un matériau, vous réduisez la commande."

"C'est comme si ces deux [types de CDW] étaient en compétition - quand l'un se présente, l'autre s'en va, " dit Kogar. "Je pense que le concept vraiment important ici est la compétition par phase."

L'idée que deux états possibles de la matière pourraient être en compétition et que le mode dominant supprime un ou plusieurs modes alternatifs est assez courante dans les matériaux quantiques, disent les chercheurs. Cela suggère qu'il peut y avoir des états latents cachés dans de nombreux types de matière qui pourraient être dévoilés si un moyen peut être trouvé pour supprimer l'état dominant. C'est ce qui semble se produire dans le cas de ces États CDW concurrents, qui sont considérés comme analogues aux structures cristallines en raison de la prévisibilité, modèles ordonnés de leurs constituants subatomiques.

Normalement, tous les matériaux stables se trouvent dans leurs états d'énergie minimum, c'est-à-dire de toutes les configurations possibles de leurs atomes et molécules, le matériau s'installe dans l'état qui nécessite le moins d'énergie pour se maintenir. Mais pour une structure chimique donnée, il peut y avoir d'autres configurations possibles que le matériau pourrait avoir, sauf qu'ils sont supprimés par le dominant, état de plus basse énergie.

"En assommant cet état dominant avec la lumière, peut-être que ces autres états peuvent être réalisés, " dit Gedik. Et parce que les nouveaux états apparaissent et disparaissent si rapidement, "vous pouvez les allumer et les éteindre, " qui peut s'avérer utile pour certaines applications de traitement de l'information.

La possibilité que la suppression d'autres phases puisse révéler des propriétés matérielles entièrement nouvelles ouvre de nombreux nouveaux domaines de recherche, dit Kogar. "Le but est de trouver des phases de matière qui ne peuvent exister qu'en dehors de l'équilibre, " dit-il, en d'autres termes, des états qui ne seraient jamais réalisables sans méthode, comme ce système d'impulsions laser rapides, pour supprimer la phase dominante.

Gedik ajoute que « normalement, pour changer la phase d'un matériau, vous essayez des changements chimiques, ou la pression, ou des champs magnétiques. Dans ce travail, nous utilisons la lumière pour effectuer ces changements."

Les nouvelles découvertes peuvent aider à mieux comprendre le rôle de la compétition de phase dans d'autres systèmes. Cela peut à son tour aider à répondre à des questions telles que pourquoi la supraconductivité se produit dans certains matériaux à des températures relativement élevées, et peut aider dans la quête pour découvrir des supraconducteurs à température encore plus élevée.Gedik dit, "Et si tout ce que vous avez à faire est d'éclairer un matériau, et ce nouvel état apparaît ?"

Le travail a été soutenu par le département américain de l'Énergie, Laboratoire national des accélérateurs SLAC, le programme Skoltech-MIT NGP, le Centre d'excitonique, et la Fondation Gordon et Betty Moore.