Les transitions de phase transforment physiquement les substances et modifient uniformément leurs propriétés. Un exemple typique est l’eau bouillante qui transforme le liquide en phase gazeuse, entraînant un changement brusque de volume. Il existe d'autres transitions de phase très pertinentes pour les technologies, telles que le stockage de données sur des disques compacts ou Blu-ray.

Au cours d'un processus de stockage de données optiques, les impulsions laser modifient la phase structurelle du matériau de surface. Les marques d'enregistrement sur les disques sont créées en faisant d'abord fondre le matériau avec le laser, puis en refroidissant rapidement le matériau fondu en dessous de sa température de cristallisation; le processus modifie la réflectivité des zones fondues. C'est ce qu'on appelle l'enregistrement à changement de phase.

Ces dernières années, l’idée d’utiliser non pas une, mais plusieurs impulsions laser pour contrôler les transitions de phase a retenu l’attention depuis qu’on a réalisé que la lumière pouvait piloter les transitions de manière cohérente. Les transitions de phase cohérentes sont intéressantes car elles changent en douceur le matériau entre deux phases.

Cependant, un contrôle cohérent nécessite une connexion aussi fluide entre les structures cristallines de deux phases et exclut de nombreuses transitions technologiquement pertinentes telles que les transitions cristallines à amorphes dans les verres de chalcogénure pour le stockage de données.

Une équipe de chercheurs dirigée par le Dr Allan Johnson (IMDEA Nanociencia) a démontré une voie alternative et incohérente de contrôle des matériaux qui améliore l'efficacité énergétique de la transition de phase dans un matériau de référence, l'oxyde de vanadium (VO₂ ). Ils ont découvert que la transition de phase entre les phases métallique et isolante, lorsqu'elle est déclenchée par deux impulsions, au lieu d'une seule, peut nécessiter moins d'énergie.

Le matériau étudié, l'oxyde de vanadium, est un système prototype pour comprendre les transitions de phase dans les matériaux quantiques. Il se situe entre les systèmes d'ondes de densité de charge (transformés par quelques modes de grande longueur d'onde, montrant une cohérence) et les transitions de phase cristalline-amorphe (des distorsions locales non corrélées conduisent la transition, montrant un désordre). À haute température, l'oxyde de vanadium est dans une phase métallique (rutile), mais en dessous de 60°, il est dans une phase isolante (monoclinique).

Généralement, l'excitation de la phase isolante avec une impulsion lumineuse entraîne un cristal de dioxyde de vanadium vers la phase métallique. Allan Johnson et son équipe ont utilisé une stratégie alternative. Ils ont utilisé une impulsion faible pour préparer un état de vibration cohérent, afin d'exciter davantage l'échantillon avec une seconde impulsion lumineuse après un petit délai (de l'ordre de la picoseconde).

À leur grande surprise, ils ont découvert que le seuil d'énergie auquel le matériau commence à se transformer en phase métallique dépend du délai entre les deux impulsions et que l'énergie nécessaire pour achever la transition de phase est réduite dans le schéma à double impulsion. par rapport au schéma à impulsion unique.

Les résultats remarquables indiquent que des excitations multiples peuvent réduire l’énergie nécessaire pour provoquer la transition de phase dans l’oxyde de vanadium jusqu’à 6 %. Interrogé sur l'amélioration, Allan Johnson déclare :« Cela peut ne pas sembler une grande économie d'énergie, mais le processus reste encore optimisé et pour le moment nous ne savons pas combien nous pouvons gagner. De plus, cette méthode peut potentiellement être appliqué à de nombreux matériaux, et c'est très prometteur."

La caractéristique la plus intéressante de leur découverte est que le processus pourrait facilement être transféré aux appareils existants fonctionnant avec des faisceaux laser pulsés ultrarapides, simplement en divisant l'impulsion en deux et en retardant le temps entre les impulsions.

Contrairement à la gamme limitée de matériaux présentant une cohérence structurelle, un désordre corrélé peut, en principe, être induit dans n'importe quel solide. Par conséquent, la stratégie d'ensemencement inhomogène pourrait être applicable à un large éventail de solides, y compris ceux utilisés dans les applications d'énergie et de stockage de données.

Le moment eurêka pour le Dr Johnson a été de réaliser que leurs données radiographiques, acquises sans interruption pendant trois longues journées et nuits dans une installation laser à rayons X au Japon, correspondaient aux expériences à impulsions multiples de leur propre laboratoire. Ils ont expliqué que le mécanisme de contrôle implique la formation de polarons, des quasi-particules qui se forment en raison du couplage d'électrons ou de trous en excès avec des vibrations ioniques.

Notamment, alors que d’autres scientifiques ont observé des phénomènes similaires dans leurs données de laboratoire, les mécanismes à l’origine de ces observations sont restés jusqu’à présent insaisissables. Allan Johnson et ses collaborateurs ont élucidé les processus sous-jacents, mettant en évidence la formation des polarons et leur ordonnancement dans des directions spécifiques comme facteur clé dans la réduction de la pénalité énergétique de la phase métallique. Conduire la transition de phase en excitant cet état de mouvement désordonné peut être obtenu avec moins d'énergie.

De plus, l'abaissement dynamique de la barrière signifie que les scientifiques sont en mesure de réduire de manière sélective l'énergie requise pour la transition de phase pilotée par laser sans augmenter la probabilité de commutation thermique, contrairement à d'autres méthodes permettant d'améliorer l'efficacité.

Les résultats ont été publiés dans Nature Physics . Les implications de cette recherche s'étendent au-delà de la science fondamentale, offrant de nouvelles voies pour un contrôle précis des matériaux et l'innovation technologique. Alors que l'équipe continue d'optimiser la méthode et d'explorer de nouveaux matériaux, le potentiel de progrès transformateurs dans la science des matériaux et le contrôle optique reste élevé.