07.07.2022 - Max-Planck-Institut für Struktur und Dynamik der Materie

Les harmoniques élevées éclairent le mouvement des atomes et des électrons

De nouvelles perspectives détaillées sur les mouvements atomiques

La lumière laser peut modifier radicalement les propriétés des matériaux solides, les rendant supraconducteurs ou magnétiques en quelques millionièmes de milliardième de seconde. La lumière intense provoque des changements fondamentaux et immédiats dans un solide en "secouant" la structure de son réseau atomique et en déplaçant les électrons. Mais que se passe-t-il exactement à ce niveau élémentaire ? Comment ces atomes et électrons se déplacent-ils réellement ?

Une équipe théorique de l'Institut Max Planck pour la structure et la dynamique de la matière, à Hambourg, a trouvé une nouvelle façon d'éclairer ces mouvements atomiques. Dans la revue PNAS, les chercheurs expliquent comment une impulsion laser génère une émission de lumière à des fréquences plus élevées dans la matière, appelées harmoniques supérieures. Cette lumière à haute énergie ne reste toutefois pas inchangée, mais change à chaque mouvement du réseau. Comme les harmoniques supérieurs changent d'intensité, ils fournissent des "instantanés" des mouvements des atomes et des électrons à chaque moment précis.

L'équipe a étudié une monocouche de nitrure de bore hexagonal (hBN) d'un seul atome d'épaisseur, dont le réseau peut être excité pour vibrer sur des échelles de temps de quelques dizaines de femtosecondes. Une première impulsion laser de "pompage" frappe le matériau, faisant bouger les atomes à l'unisson. Ensuite, une deuxième impulsion laser infrarouge excite encore davantage les électrons, de sorte qu'ils provoquent l'émission de lumière à de nouvelles fréquences - les harmoniques élevées. Celles-ci contiennent les informations sous-jacentes aux vibrations du réseau (également appelées phonons). En les analysant, les scientifiques obtiennent de nouvelles informations détaillées sur ces mouvements atomiques.

Les résultats de l'équipe représentent une avancée majeure dans la compréhension des changements fondamentaux d'un matériau solide lorsqu'il est irradié par un laser intense. Il s'agit également d'une méthode très efficace car, jusqu'à présent, les chercheurs avaient besoin de sources lumineuses beaucoup plus avancées pour observer ces mouvements élémentaires.

En outre, l'équipe a montré que, une fois que les atomes commencent à vibrer, l'interaction entre le matériau et l'impulsion laser initiale change avec la phase du laser lui-même. Cela signifie que les scientifiques peuvent déterminer exactement quel mouvement dans le réseau a été déclenché par quelle phase du cycle optique du laser, comme s'ils réglaient un chronomètre sur ce moment précis. En d'autres termes : Le travail de l'équipe a permis de mettre au point une technique spectroscopique très avancée avec une résolution temporelle extrême. Cette approche permet de suivre les mouvements du réseau à la femtoseconde près, sans avoir recours à des rayons X à haute énergie ou à des impulsions attosecondes, qui sont beaucoup plus difficiles à utiliser.

"Le principal impact de ces travaux est que nous formons un point de départ pour comprendre comment les phonons jouent un rôle dans les interactions non linéaires entre la lumière et la matière", explique l'auteur principal, Ofer Neufeld, du département de théorie de la MPSD. "Cette approche nous permet de sonder la dynamique structurelle femtoseconde dans les solides, y compris les transitions de phase, les phases habillées de la matière, et aussi le couplage entre électrons et phonons."

Note: Cet article a été traduit à l'aide d'un système informatique sans intervention humaine. LUMITOS propose ces traductions automatiques pour présenter un plus large éventail d'actualités. Comme cet article a été traduit avec traduction automatique, il est possible qu'il contienne des erreurs de vocabulaire, de syntaxe ou de grammaire. L'article original dans Anglais peut être trouvé ici.

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