En physique, elles font actuellement l'objet de recherches intensives; en électronique, ils pourraient permettre des fonctions complètement nouvelles. Les matériaux dits topologiques se caractérisent par des propriétés électroniques particulières, qui sont également très robustes contre les perturbations externes. Ce groupe de matériaux comprend également le ditellurure de tungstène. Dans ce matériau, un tel état topologiquement protégé peut être "brisé" à l'aide d'impulsions laser spéciales en quelques billions de seconde ("picosecondes") et ainsi modifier ses propriétés. Cela pourrait être une exigence clé pour réaliser extrêmement rapidement, commutateurs optoélectroniques.

Pour la première fois, physiciens à l'Université de Kiel (CAU), en coopération avec des chercheurs du Max Planck Institute for Chemical Physics of Solids (MPI-CPfS) à Dresde, Université Tsinghua de Pékin et Shanghai Tech University, ont pu observer des changements dans les propriétés électroniques de ce matériau dans des expériences en temps réel. En utilisant des impulsions laser, ils mettent les atomes d'un échantillon de ditellurure de tungstène dans un état d'excitation contrôlée, et ont pu suivre les changements résultants dans les propriétés électroniques "en direct" avec des mesures de haute précision. Ils ont récemment publié leurs résultats dans la revue scientifique Communication Nature .

Semi-métaux Weyl aux propriétés électroniques inhabituelles

« Si ces changements induits par le laser peuvent à nouveau être inversés, nous avons essentiellement un interrupteur qui peut être activé optiquement, et qui peut changer entre différents états électroniques, " a expliqué Michael Bauer, professeur de physique du solide au CAU. Un tel processus de commutation a déjà été prédit par une autre étude, dans lequel des chercheurs américains ont récemment pu observer directement les mouvements atomiques du ditellurure de tungstène. Dans leur étude, les physiciens de l'Institut de physique expérimentale et appliquée du CAU se concentrent désormais sur le comportement des électrons, et comment les propriétés électroniques d'un même matériau peuvent être modifiées à l'aide d'impulsions laser.

"Certains des électrons du ditellurure de tungstène sont très mobiles, ce sont donc d'excellents supports d'information pour les applications électroniques. Cela est dû au fait qu'ils se comportent comme des fermions de Weyl, " a déclaré la doctorante Petra Hein pour expliquer les propriétés inhabituelles du matériau, également connu sous le nom de semi-métal de Weyl. Les fermions de Weyl sont des particules sans masse avec des propriétés spéciales et n'ont été observés auparavant qu'indirectement en tant que "quasi-particules" dans des solides comme le ditellurure de tungstène. "Pour la première fois, nous pouvions maintenant rendre visibles les changements dans les domaines de la structure électronique, dans lequel ces propriétés de Weyl sont exposées."

Les excitations du matériau modifient ses propriétés électroniques

Pour capturer les changements à peine visibles dans les propriétés électroniques, une conception expérimentale hautement sensible, des mesures extrêmement précises et une analyse approfondie des données obtenues ont été nécessaires. Au cours des dernières années, l'équipe de recherche de Kiel a pu développer une telle expérience avec la stabilité à long terme nécessaire. Avec les impulsions laser générées, ils mettent les atomes à l'intérieur d'un échantillon de ditellurure de tungstène dans un état d'excitation vibratoire. Différentes excitations vibrationnelles se chevauchant sont apparues, ce qui à son tour a modifié les propriétés électroniques du matériau. "L'une de ces vibrations atomiques était connue pour modifier les propriétés électroniques de Weyl. Nous voulions savoir exactement à quoi ressemble ce changement, " a déclaré Hein pour décrire l'un des principaux objectifs de l'étude.

Une série d'instantanés montre comment les propriétés changent

Afin d'observer ce processus spécifique, l'équipe de recherche a irradié le matériau avec une seconde impulsion laser après quelques picosecondes. Cela a libéré des électrons de l'échantillon, ce qui a permis de tirer des conclusions sur la structure électronique du matériau - la méthode est connue sous le nom de "spectroscopie photoélectronique résolue en temps". "En raison du temps d'exposition court de seulement 0,1 picoseconde, nous obtenons un instantané de l'état électronique du matériau. Nous pouvons combiner plusieurs de ces images individuelles dans un film et ainsi observer comment le matériau réagit à l'excitation par la première impulsion laser, " a déclaré le Dr Stephan Jauernik pour expliquer la méthode de mesure.

L'enregistrement d'un seul ensemble de données sur le processus de modification extrêmement court prenait généralement une semaine. L'équipe de recherche de Kiel a évalué un grand nombre de ces ensembles de données à l'aide d'une approche analytique nouvellement développée et a ainsi pu visualiser les changements dans les propriétés électroniques de Weyl du ditellurure de tungstène.

Processus de commutation extrêmement courts envisageables

"Nos résultats démontrent l'interaction sensible et hautement sélective entre les vibrations des atomes du solide et les propriétés électroniques inhabituelles du ditellurure de tungstène, " a résumé Bauer. La recherche de suivi vise à déterminer si de tels processus de commutation électronique peuvent être déclenchés encore plus rapidement - directement par l'impulsion laser irradiante - comme cela a déjà été théoriquement prédit pour d'autres matériaux topologiques.