Une équipe de physiciens observe comment les électrons s’habillent de lumière

Depuis l’Antiquité, l’humanité a essayé de personnaliser les matériaux en combinant différentes substances. Imaginez un monde où les propriétés des matériaux peuvent être modifiées de manière flexible à la demande simplement en les éclairant. Un groupe de physiciens de toute l’Europe vient de faire un pas décisif vers cet objectif en revêtant de lumière des électrons se déplaçant dans un solide.

L’équipe, qui comprend des chercheurs des universités de Ratisbonne et de Marbourg, de l’Institut Max Planck pour la structure et la dynamique de la matière à Hambourg, de l’Institut Paul Scherrer à Villigen, en Suisse, et d’autres, a observé pour la première fois comment des états exotiques, connus comme Floquet Bandes, surgissent dans un cristal. La découverte, qui a été publiée dans Naturecela pourrait révolutionner notre façon de penser les propriétés des matériaux.

« La découverte de nouvelles propriétés de matériaux dépend généralement de notre capacité à contrôler la composition chimique du matériau », a déclaré le professeur Ulrich Höfer, physicien de Marburg, auteur principal de l’article qui occupe également une chaire auxiliaire à l’Université de Ratisbonne. . « La manipulation purement optique des propriétés des matériaux pourrait faire entrer la physique dans une nouvelle ère en permettant de nouvelles fonctionnalités à la demande. »

L’équipe a utilisé la méthode de spectroscopie de photoémission à résolution angulaire pour étudier les électrons à la surface du tellurure de bismuth isolant topologique. Dans ce matériau, les électrons peuvent se déplacer balistiquement pendant longtemps sans être diffusés. En utilisant des impulsions lumineuses intenses, les chercheurs ont pu conduire périodiquement ces électrons à travers le cristal.

Cela a conduit à un effet quantique exotique, qui a amené les électrons à avoir non seulement un état d’énergie fixe, mais de nombreux états d’énergie régulièrement espacés par l’énergie du photon moteur. Ces bandes dites de Floquet sont des hybrides entre les électrons et la lumière. « Cependant, les propriétés dynamiques de ces états sont restées jusqu’à présent insaisissables », explique le physicien de Ratisbonne, le professeur Rupert Huber, un autre auteur principal.

Les mesures de l’équipe sont allées bien au-delà de la limite de ce qui pouvait être réalisé à ce jour avec cette technique. Ils ont réussi à prendre de vraies vidéos d’électrons en mouvement avec une meilleure résolution temporelle qu’un seul cycle d’oscillation de l’onde lumineuse porteuse électromagnétique. En conséquence, ils ont fait une découverte inattendue : « Étonnamment, les bandes de Floquet se forment déjà après un seul cycle optique », explique le Dr Suguru Ito, le premier auteur de l’article. « Notre expérience ouvre la possibilité de visualiser un grand nombre d’états quantiques transitoires », ajoute Huber. « Cela ouvre la voie à des fonctionnalités quantiques personnalisées et à une électronique ultra-rapide. »

Les résultats expérimentaux sont étayés par des modèles théoriques fournis par le Dr Michael Schüler de l’Institut Paul Scherrer à Villigen, en Suisse, et le Dr Michael Sentef de l’Institut Max Planck pour la structure et la dynamique de la matière à Hambourg, en Allemagne.

Après avoir fixé la limite de temps fondamentale pour l’ingénierie des matériaux induits par la lumière, la découverte révolutionnaire de l’équipe pourrait inaugurer une nouvelle ère de la science des matériaux, permettant la création de nouvelles fonctionnalités à la demande. Suivant cette voie, le Prof. Dr. Ulrich Höfer et le Prof. Dr. Rupert Huber ont récemment reçu une bourse ERC Synergy Grant du Conseil européen de la recherche pour leur projet de recherche « Orbital Cinema », dont le but est de prendre de la vidéo au ralenti électronique. . dans les orbitales mécaniques quantiques de molécules et d’atomes individuels.