Des chercheurs du département de chimie physique de l'Institut Fritz Haber et de l'Institut Max Planck pour la structure et la dynamique de la matière à Hambourg ont découvert que des changements ultrarapides dans les propriétés des matériaux peuvent être provoqués par des impulsions laser, et pourquoi. Cette connaissance peut permettre de nouveaux concepts de transistor.

Rendre la technologie électronique aussi rapide que possible est un objectif central de la recherche contemporaine sur les matériaux. Les composants clés des technologies informatiques rapides sont les transistors :des dispositifs de commutation qui activent et désactivent très rapidement les courants électriques en tant qu'étapes de base des opérations logiques. Afin d'améliorer nos connaissances sur les matériaux de transistors idéaux, les physiciens essaient constamment de déterminer de nouvelles méthodes pour accomplir de telles commutations extrêmement rapides. Des chercheurs de l'Institut Fritz Haber de la Société Max Planck à Berlin et de l'Institut Max Planck pour la structure et la dynamique de la matière à Hambourg ont maintenant compris qu'un nouveau type de commutateur ultrarapide peut être réalisé avec la lumière.

Les physiciens impliqués dans le projet étudient la meilleure façon d'amener les matériaux à modifier leurs propriétés - pour rendre les métaux magnétiques non magnétiques, par exemple, ou pour changer la conductivité électrique d'un cristal. Les propriétés électriques d'un matériau sont fortement liées à la disposition des électrons dans le cristal. Le contrôle de l'arrangement des électrons est un sujet clé depuis des décennies. La plupart des méthodes de contrôle, cependant, sont assez lents.

"Nous savions que les influences extérieures comme les variations de température ou de pression fonctionnent, " dit le Dr Ralph Ernstorfer, Chef de Groupe au Département de Chimie Physique de l'Institut Fritz Haber, "mais ça prend du temps, au moins quelques secondes. » Ceux qui utilisent régulièrement un smartphone ou un ordinateur savent que quelques secondes peuvent sembler une éternité. Le groupe du Dr Ernstorfer a donc exploré comment changer les propriétés des matériaux beaucoup plus rapidement au moyen de la lumière.

À l'aide d'un tout nouvel équipement à l'Institut Fritz Haber, les chercheurs ont considérablement réduit le temps de commutation à seulement 100 femtosecondes en tirant des impulsions laser optiques ultracourtes sur le matériau de leur choix, un cristal semi-métallique composé d'atomes de tungstène et de tellure. La lumière qui brille sur le cristal l'incite à réorganiser sa structure électronique interne, ce qui modifie également la conductivité du cristal. En outre, les scientifiques ont pu observer exactement comment sa structure électronique a changé.

« Nous avons utilisé un nouvel instrument pour prendre des photos de la transition à chaque étape du processus, " explique le Dr Samuel Beaulieu, qui a travaillé comme post-doctorant avec Ralph Ernstorfer au Fritz-Haber-Institut (2018-2020) et qui est maintenant chercheur permanent au Centre Lasers Intenses et Applications (CELIA) du CNRS-Bordeaux Université. « C'est un progrès incroyable. Avant, nous ne savions qu'à quoi ressemblait la structure électronique du matériau, mais jamais pendant la transition, " ajoute-t-il. De plus, modélisation de pointe de ce nouveau procédé par le Dr Nicolas Tancogne-Dejean, Dr Michael Sentef, et le professeur Angel Rubio de l'Institut Max Planck pour la structure et la dynamique de la matière ont révélé l'origine de ce nouveau type de transition électronique ultrarapide. L'impulsion laser qui frappe les matériaux modifie la façon dont les électrons interagissent les uns avec les autres. C'est le moteur de cette transition exotique, connue sous le nom de transition de Lifshitz.

Cette méthode est destinée à générer beaucoup de connaissances sur les futurs matériaux de transistors possibles. Le seul fait que la lumière puisse entraîner des transitions électroniques ultrarapides est un premier pas vers une technologie encore plus rapide et plus efficace.

L'étude est publiée dans Avancées scientifiques .