La transition de phase métal-isolant déclenchée dans un système fortement corrélé par une impulsion de quelques femtosecondes (courbe orange) et entraînant un changement spectaculaire de densité d’états, se produit en moins d’une femtoseconde. Crédit : MBI : Olga Smirnova / Université de Hambourg : Alexander Lichtenstein
Les chercheurs ont développé une nouvelle méthode de spectroscopie pour étudier les processus ultrarapides dans des matériaux fortement corrélés, atteignant une résolution inférieure à la femtoseconde.
Une équipe internationale de chercheurs du XFEL européen en collaboration avec des collègues du Max Born Institute de Berlin, des universités de Berlin et de Hambourg, de l’Université de Tokyo, de l’Institut national japonais des sciences et technologies industrielles avancées (AIST) et de l’Université néerlandaise Radboud. , collège impérial de Londres, et le Centre d’imagerie ultrarapide de Hambourg, ont présenté de nouvelles idées pour la spectroscopie multidimensionnelle ultrarapide de solides fortement corrélés. Cet ouvrage sera publié aujourd’hui (24 janvier) dans Photonique naturelle.
Explorer les solides fortement corrélés
« Les solides fortement corrélés sont des systèmes quantiques complexes et fascinants dans lesquels de nouveaux états électroniques émergent souvent, en particulier lorsqu’ils interagissent avec la lumière », explique Alexander Lichtenstein de l’Université de Hambourg et de l’Eu-XFEL. Les matériaux fortement corrélés, qui comprennent entre autres les supraconducteurs à haute température, certains types de matériaux magnétiques et les matériaux quantiques tordus, remettent en question notre compréhension fondamentale du microcosme et offrent des opportunités pour de nombreuses applications passionnantes allant de la science des matériaux au traitement de l’information en passant par la médecine : Par exemple, les supraconducteurs sont utilisés par les scanners IRM.
C’est pourquoi il est très important de comprendre la hiérarchie et l’interaction des divers états électroniques apparaissant dans des matériaux fortement corrélés. En même temps, cela remet en question nos outils expérimentaux et théoriques, car les transformations entre ces états sont souvent associées à des transitions de phase. Les transitions de phase sont des transformations qui ne se déroulent pas de manière fluide d’une étape à l’autre mais qui peuvent survenir de manière soudaine et rapide, notamment lorsque le matériau interagit avec la lumière.
Quelles sont les voies de charge et de flux d’énergie lors d’une telle transition ? À quelle vitesse cela se produit-il ? La lumière peut-elle être utilisée pour le contrôler et sculpter les corrélations électroniques ? La lumière peut-elle amener le matériau dans un état dans lequel il ne se trouverait pas dans les circonstances habituelles ? C’est le type de questions qui peuvent être résolues avec des appareils puissants et sensibles comme les lasers à rayons X tels que le XFEL européen à Schenefeld près de Hambourg, et avec les outils optiques modernes de la science attoseconde (1 attoseconde = 10-18 seconde ou un milliardième de milliardième de seconde. En une attoseconde, la lumière parcourt moins d’un millionième de millimètre).
Innovations en spectroscopie
Dans leurs travaux, l’équipe internationale présente désormais une toute nouvelle approche qui permet de surveiller et de déchiffrer le mouvement de charge ultrarapide déclenché par une courte impulsion laser illuminant un système fortement corrélé. Ils ont développé une variante de spectroscopie multidimensionnelle ultrarapide, tirant parti du contrôle attoseconde de la manière dont plusieurs couleurs de lumière s’ajoutent pour former une impulsion laser ultracourte. La résolution temporelle sous-cyclique offerte par cette spectroscopie montre l’interaction complexe entre les différentes configurations électroniques et démontre qu’une transition de phase d’un état métallique à un état isolant peut avoir lieu en moins d’une femtoseconde, c’est-à-dire en moins d’un quadrillionième de seconde. deuxième.
« Nos résultats ouvrent une voie qui va au-delà des méthodes précédentes pour étudier et influencer spécifiquement les processus ultrarapides dans des matériaux fortement corrélés », déclare Olga Smirnova du Max Born Institute et de la Berlin TU, lauréate du prix Mildred Dresselhaus du Centre d’imagerie ultrarapide de Hambourg. , « nous avons ainsi développé un outil clé pour accéder à de nouveaux phénomènes ultrarapides dans les solides corrélés. »
