Des scientifiques capturent pour la première fois une phase quantique cachée dans un cristal 2D

Cette illustration représente l’effondrement induit par la lumière de la séquence de charge à l’échelle nanométrique dans un cristal 2D de disulfure de tantale (formes d’étoiles) et la génération d’un état métallique métastable caché (sphères). Crédit : Frank Yi Gao

Le développement de la photographie au flash stroboscopique à grande vitesse dans les années 1960 par le regretté professeur du MIT Harold “Doc” Edgerton nous a permis de visualiser des événements trop rapidement pour l’œil – une balle perçant une pomme ou une goutte frappant une flaque de lait.

À l’aide d’une suite d’outils spectroscopiques avancés, des scientifiques du MIT et de l’Université du Texas à Austin ont pour la première fois pris des instantanés d’une phase métastable induite par la lumière cachée de l’univers à l’équilibre. En utilisant des techniques de spectroscopie monocoup sur un cristal 2D avec des modulations nanométriques de la densité électronique, ils ont pu visualiser cette transition en temps réel.

“Avec ce travail, nous montrons la naissance et l’évolution d’une phase quantique cachée induite par une impulsion laser ultracourte dans un cristal modulé électroniquement”, a déclaré Frank Gao Ph.D. ’22, co-auteur principal d’un article sur le travail qui est actuellement postdoctoral à l’UT Austin.

“Habituellement, faire briller des lasers sur des matériaux revient à les chauffer, mais pas dans ce cas”, ajoute Zhuquan Zhang, co-auteur principal et étudiant diplômé en chimie du MIT. “Ici, l’irradiation du cristal réorganise l’ordre électronique, créant une phase entièrement nouvelle qui est différente de la phase à haute température.”

Un article sur cette recherche a été publié aujourd’hui dans Progrès scientifique. Le projet a été coordonné conjointement par Keith A. Nelson, professeur de chimie Haslam et Dewey au MIT, et par Edoardo Baldini, professeur adjoint de physique à UT-Austin.

Spectacles laser

“Comprendre l’origine de ces phases quantiques métastables est important pour répondre aux questions fondamentales de longue date de la thermodynamique hors équilibre”, a déclaré Nelson.

“La clé de ce résultat a été le développement d’une méthode laser de pointe capable de créer des “films” de processus irréversibles dans des matériaux quantiques avec une résolution temporelle de 100 femtosecondes.” ajoute Baldini.

Le matériau, le disulfure de tantale, est constitué de couches liées par covalence d’atomes de tantale et de soufre empilés les uns sur les autres. En dessous d’une température critique, les atomes et les électrons du motif de matériau à l’échelle nanométrique forment des structures en “étoile de David” – une distribution non conventionnelle d’électrons connue sous le nom d'”onde de densité de charge”.

La formation de cette nouvelle phase fait du matériau un isolant, mais une seule impulsion lumineuse intense pousse le matériau dans un métal caché métastable. “C’est un état quantique temporaire figé dans le temps”, explique Baldini. “Les humains ont déjà observé cette phase cachée induite par la lumière, mais les processus quantiques ultrarapides à l’origine de sa genèse étaient encore inconnus.”

Nelson ajoute: “L’un des principaux défis est qu’il n’est pas pratique d’observer une transformation ultra-rapide d’un ordre électronique à un autre qui peut durer indéfiniment avec les techniques conventionnelles résolues en temps.”

Des impulsions de perspicacité

Les chercheurs ont développé une méthode unique dans laquelle une seule impulsion laser de sonde était divisée en centaines d’impulsions de sonde différentes qui arrivaient toutes à l’échantillon à des moments différents, avant et après que la commutation ait été initiée par une impulsion d’excitation ultra-rapide séparée. En mesurant les changements dans chacune de ces impulsions de sonde après avoir été réfléchies ou envoyées à travers l’échantillon, puis en enchaînant les résultats de mesure sous forme d’images séparées, ils ont pu construire un film qui fournit un aperçu microscopique des mécanismes par lesquels les transformations se produisent.

En capturant la dynamique de cette transformation de phase complexe en une seule mesure, les auteurs ont montré que la fusion et le réarrangement de l’onde de densité de charge conduisent à la formation de l’état caché. Les calculs théoriques de Zhiyuan Sun, post-doctorant au Harvard Quantum Institute, ont confirmé cette interprétation.

Bien que cette étude ait été menée avec un matériau spécifique, les chercheurs affirment que la même méthodologie peut désormais être utilisée pour étudier d’autres phénomènes exotiques dans les matériaux quantiques. Cette découverte peut également aider au développement de dispositifs optoélectroniques avec des photoréactions à la demande.


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Plus d’information:
Frank Y. Gao et al, Instantanés d’une phase cachée métastable induite par la lumière entraînée par l’effondrement de la séquence de charge, Progrès scientifique (2022). DOI : 10.1126/sciaadv.abp9076

Fourni par le Massachusetts Institute of Technology

Cette histoire a été republiée avec l’aimable autorisation de MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), un site populaire contenant des informations sur la recherche, l’innovation et l’éducation au MIT.

Devis: Les scientifiques capturent pour la première fois une phase quantique cachée dans un cristal 2D (2022, 25 juillet) récupéré le 25 juillet 2022 sur https://phys.org/news/2022-07-scientists-capture-first-ever-view -caché.html

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