Les éléments du tableau périodique sont divisés en métaux, semi-métaux et non-métaux. La distinction repose sur leurs propriétés chimiques et physiques et est déterminée notamment par le mouvement des électrons et la capacité des matériaux à conduire l'énergie électrique :les métaux sont d'excellents conducteurs, les semi-métaux ont une conductivité limitée, les non-métaux sont des matériaux isolants, ils ne conduisent pas l'électricité.
Ces états ne sont cependant pas immuables. On sait qu'un matériau isolant peut être transformé en métal :avec la chimie, en introduisant dans le matériau des atomes avec un nombre d'électrons différent; ou avec des pressions très élevées, une condition qui ne peut être créée que dans des laboratoires dédiés et qui est difficile à transférer à d'autres applications technologiques.
Progrès scientifiques a publié les résultats d'une étude menée par le Département de Physique de l'Université de Trente, le Département de Physique de l'Université de Californie à Berkeley et la Division de Science des Matériaux du Laboratoire National Lawrence Berkeley qui propose une troisième voie pour la transformation d'un matériau isolant en semi-métal.
"Nous avons observé qu'en exposant un matériau isolant à des impulsions laser ultrarapides (10 femtosecondes, soit 10 millions de milliardièmes de seconde), il est possible de modifier le mouvement des électrons", explique Alessandra Lanzara, professeur de physique à l'UC Berkeley et auteur correspondant de l'étude, ainsi que Ph.D. étudiant Maxi Huber, auteur principal de l'article.
Ce résultat ne peut être obtenu que par photoexcitation au-dessus d'un seuil de fluence et avec le matériau approprié. "Nous avons utilisé du diséléniure de titane (1T-TiSe2 ), un matériau que j'ai eu l'occasion d'étudier en profondeur au cours de ma carrière", explique le professeur Matteo Calandra d'UniTrento et le chercheur Giovanni Marini, co-auteurs de l'étude.
"Le diséléniure de titane a des caractéristiques très particulières :c'est un matériau isolant, mais il ressemble à un métal. Par exemple, il est brillant, alors que les non-conducteurs sont généralement opaques et ne réfléchissent pas la lumière."
Sur la base des résultats expérimentaux et des calculs des deux équipes de recherche, l'exposition de ce matériau à des impulsions laser ultrarapides modifie ses états énergétiques et le mouvement des électrons et, au-dessus d'un seuil de fluence, le transforme en semi-métal pendant une courte période de temps (juste moins de 500 femtosecondes).
Il y a une différence par rapport à la transformation chimique :la transformation du matériau n'est pas permanente et dès que l'exposition au laser est interrompue, il revient à son état initial. Ce processus multiplie les applications possibles.
"Par exemple", explique Calandra, "on peut imaginer des dispositifs dont les propriétés passent d'isolantes à semi-métalliques en très peu de temps, une caractéristique nécessaire pour développer des ordinateurs beaucoup plus puissants, capables d'effectuer des calculs complexes en très peu de temps. Aujourd'hui, la capacité de calcul repose sur l'utilisation de champs électriques, mais la possibilité d'utiliser la lumière ouvre de nouveaux horizons dans ce domaine d'application."
UniTrento a travaillé sur la partie théorique et simulation du document. L'Université de Berkley s'est concentrée sur la partie expérimentale de la recherche.
Plus d'informations : Maximilian Huber et al, Création ultrarapide d'un état semi-métallique induit par la lumière dans 1T-TiSe2 fortement excité , Progrès scientifiques (2024). DOI :10.1126/sciadv.adl4481
Informations sur le journal : Progrès scientifiques
Fourni par l'Université de Trente
