Oscillation en mode d'amplitude commandée par impulsions térahertz de l'ordre d'onde de densité de charge dans le dichalcogénure de métal de transition avec un réseau en nid d'abeille, 3R-TaSe2, qui provoque l'émergence d'un état de type isolant caché. Crédit :Yoshikawa et al.
Dans les années récentes, Les physiciens et les électroniciens ont essayé de concevoir des stratégies pour contrôler ou produire des états quantiques de la matière dans différents matériaux. De telles stratégies pourraient à terme s'avérer précieuses pour le développement de nouveaux dispositifs technologiques.
Des chercheurs de l'Université de Tokyo et de l'UMR 7162 CNRS Universitè Paris ont récemment introduit une nouvelle approche pour atteindre la commutation ultrarapide des matériaux vers un état métastable de type isolant. Leur stratégie, présenté dans un article publié dans Physique de la nature , est basé sur l'excitation directe du mode d'amplitude d'une onde de densité de charge (c'est-à-dire, amplitudon) via l'application d'une impulsion térahertz intense.
"Notre intérêt premier est de contrôler les états quantiques de la matière par la lumière de manière ultrarapide tout en évitant l'effet de chauffage." Ryô Shimano, l'un des chercheurs qui a mené l'étude, dit Phys.org. « Dans les matériaux électroniques corrélés, plusieurs phases quantiques dont la supraconductivité, les ondes de densité et les ordres magnétiques apparaissent côte à côte dans leur diagramme de phase. Nous étudions le potentiel de la lumière en tant que bouton de réglage pour ces phases quantiques."
En 2013, Shimano et ses collègues ont réussi à observer une oscillation dans le domaine temporel du paramètre d'ordre dans un supraconducteur, appelé mode de Higgs, qui est une contrepartie supraconductrice du "boson de Higgs" en physique des particules, découvert au CERN en 2012. En 2014, ils ont ensuite découvert que le mode de Higgs dans les supraconducteurs peut être directement excité par la lumière térahertz (THz), via le couplage non linéaire entre le mode de Higgs et le champ électromagnétique. L'étude récente des chercheurs s'est inspirée de cette observation du mode dit de Higgs dans les supraconducteurs.
« La question derrière notre étude était :pouvons-nous nous attendre à une transition de phase lorsque nous conduisons le paramètre de commande lui-même avec une amplitude suffisamment grande ? » dit Shimano. "La transition de phase à travers un contrôle aussi direct du paramètre de commande est conceptuellement nouvelle et intrigante."
Dans le cadre de leur récente étude, Shimano et ses collègues ont spécifiquement examiné 3R-TaSe
"Nous avons adopté la technique assez récente d'une génération d'impulsions THz intenses et d'une spectroscopie THz résolue en temps, " dit Shimano. " Premièrement, nous avons réussi à piloter le mode d'amplitude CDW à travers le processus d'excitation à deux photons de l'impulsion THz irradiée. Prochain, nous avons surveillé la dynamique ultrarapide de l'état électronique avec une résolution temporelle inférieure à la picoseconde en utilisant une impulsion de sonde THz qui est sensible à la réponse des porteurs de charge."
De façon inattendue, Shimano et ses collègues ont découvert qu'une structure de gap était induite dans le spectre de conductivité optique dans la gamme de fréquences THz. Cette observation suggère que l'état initialement métallique du matériau a été partiellement converti en un état de type isolant environ 1 picoseconde après son excitation.
"D'habitude, l'irradiation de la lumière sur les matériaux a tendance à induire de la métallicité puisque les électrons acquièrent de l'énergie cinétique et deviennent plus mobiles, " a déclaré Shimano. " Le cas présent est à l'opposé de cette tendance commune :une partie des électrons gèle lors de l'excitation THz. Puisque l'amplitudon est un mode couplé d'électron et de phonon, l'impulsion THz intense devrait moduler la configuration du réseau grâce à la commande de l'amplitudon."
Sur la base des résultats recueillis dans leurs expériences, Shimano et ses collègues ont déduit qu'une oscillation de grande amplitude du phonon entraîne un déplacement moyen du réseau du matériau, en raison de la non-linéarité des phonons. Ce processus ressemble à l'effet de redressement qui a lieu dans un circuit électrique.
La modulation ultrarapide du 3R-TaSe
"Plus généralement, notre travail ouvre une nouvelle voie pour la transition de phase induite par la lumière de manière « froide » en évitant l'injection d'un excès d'énergie dans le système électronique, " a déclaré Shimano. " Nous prévoyons d'utiliser ce nouveau type de bouton de réglage pour le contrôle des phases quantiques, visant à révéler le paysage inexploré des matériaux quantiques."
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