Les formations photoinduites de bipolaron à polaron déformant un réseau d’atomes quasi-1D jouent un rôle majeur dans la formation du pseudogap. Crédit : Steven Burrows/Groupes Murnane et Kapteyn
L’utilisation innovante d’impulsions laser chronométrées par les chercheurs de JILA et de CU Boulder fournit de nouvelles informations sur le comportement des matériaux quantiques, contribuant ainsi à l’exploration des mécanismes de supraconductivité.
Pour concevoir des matériaux dotés de propriétés uniques, comme la supraconductivité, les scientifiques se penchent sur les interactions quantiques entre les électrons et les particules vibrationnelles appelées phonons. Lorsque les électrons et les phonons interagissent fortement, ils se comportent comme des « quasi » particules, et non comme des particules isolées uniques. Ces interactions se produisent sur des échelles de temps extrêmement courtes : les électrons interagissent entre eux en femtosecondes (10-15 secondes) ou même plus rapidement, tandis que les phonons répondent plus lentement, en centaines de femtosecondes, puisque les atomes les plus lourds se déplacent plus lentement que les électrons.
Pour étudier ces interactions, les scientifiques modifient souvent la température, la pression ou la composition chimique d’un matériau et mesurent ses propriétés électriques pour en savoir plus sur les interactions. Cependant, les matériaux qui hébergent différentes interactions peuvent présenter des propriétés très similaires, ce qui rend difficile la détermination précise de la nature exacte de ces interactions.
Pour surmonter ce problème, Yingchao Zhang, étudiant diplômé du JILA, en collaboration avec les boursiers du JILA Henry Kapteyn et Margaret Murnane et le professeur de physique de l’Université du Colorado à Boulder, Rahul Nandkishore, a utilisé une nouvelle méthode puissante pour identifier avec précision les interactions des phonons dans les matériaux quantiques, dont les résultats ont été publiés. dans la revue Lettres nano. À l’aide d’impulsions laser ultraprécises et chronométrées et d’impulsions ultraviolettes extrêmes, ils ont mesuré les temps de réponse et vu précisément comment les électrons et les phonons interagissaient. Cette méthode ouvre la voie à un meilleur contrôle et à une meilleure manipulation des matériaux quantiques.
Démêler les matériaux quantiques unidimensionnels
Dans cette nouvelle étude, les chercheurs ont comparé la réaction des électrons de deux matériaux différents après avoir été légèrement perturbés par la lumière : (TaSe4)2I et Rb0,3MoO3, également connu sous le nom de bronze bleu rubidium. Ces matériaux sont unidimensionnels (1D) car, comme le montre la figure correspondante, ils ont des liaisons fortes dans une direction, avec des liaisons plus faibles dans une direction perpendiculaire. Cela force les électrons et les phonons à interagir fortement les uns avec les autres, rendant les propriétés de ces matériaux très dépendantes des phénomènes quantiques.
Historiquement, on pensait que les deux matériaux possédaient un petit espace isolant produit par le couplage entre électrons et phonons, appelé polaron. Cet espace isolant peut créer des problèmes lorsqu’on tente de comprendre les interactions quantiques au sein des polarons, car il devient difficile de stimuler toute interaction au sein du matériau.
Cependant, une étude récente de l’Université de Stanford, réalisée en parallèle avec ces travaux expérimentaux, suggère que l’espace isolant dans certains matériaux pourrait être produit par des polarons interagissant pour produire des bipolarons (ou paires de polarons). Étant donné que les petits bipolarons partagent des propriétés similaires à celles des bosons, une particule fondamentale, certains experts ont émis l’hypothèse que les bipolarons pourraient créer un type de condensat de Bose-Einstein (BEC), qui pourrait être un mécanisme de supraconductivité dans le matériau.
Les chercheurs de JILA et de CU Boulder ont souligné que leur expérience pourrait s’expliquer naturellement dans ce scénario bipolaire, indiquant que le matériau (TaSe4)2I est un isolant bipolaire. « C’est un excellent exemple de la façon dont la théorie et l’expérience, en travaillant ensemble, peuvent conduire à de nouvelles connaissances », a expliqué Nandkishore.
Au-delà des temps de détente matérielle
Pour ce faire, l’équipe a utilisé des impulsions laser ultrarapides pour exciter doucement plusieurs électrons dans les deux matériaux. Ensuite, une impulsion UV extrême ultrarapide, d’une longueur d’onde dix fois plus courte que la lumière visible, a été utilisée pour voir exactement où les électrons étaient excités en termes d’énergie et de localisation. En suivant l’énergie et l’emplacement des électrons excités, les chercheurs ont pu voir les signatures des bipolarons se fondre en polarons simples dans (TaSe4)2I.
Au-delà de la compréhension des interactions qui génèrent l’écart d’isolation, les chercheurs ont également observé des temps de relaxation différents dans leurs deux matériaux. Le temps de relaxation, ou le temps nécessaire à un matériau pour se remettre du stress, de la chaleur ou de la lumière, varie en fonction des interactions quantiques au sein du matériau.
Dans (TaSe4)2I, les atomes du réseau doivent se réorganiser à mesure que les bipolarons fondent en polarons simples. Ce processus prend environ 250 femtosecondes, suivi d’une lente relaxation vers l’état fondamental bipolaire en 1 500 femtosecondes, comme le montre la figure correspondante.
« La capacité de voir l’emplacement des électrons excités et de mesurer leurs temps de relaxation fournit de nouvelles informations sur les interactions microscopiques dans ces matériaux, inaccessibles aux techniques expérimentales traditionnelles », a ajouté Nandkishore.
En revanche, les électrons de Rb0.3MoO3 ont répondu et se sont détendus dix fois plus rapidement en réponse à la lumière (en environ 60 femtosecondes), montrant clairement que les interactions entre électrons doivent être responsables de l’espace isolant dans ce matériau 1D. Ce temps de relaxation plus rapide semble cohérent avec une autre théorie physique connue sous le nom de théorie du liquide de Luttinger.
Dans un liquide de Luttinger, les électrons se déplacent davantage comme une foule lors d’un concert plutôt que comme des individus. Ils interagissent fortement les uns avec les autres et forment une sorte de comportement collectif. Ce comportement collectif fait que le liquide agit comme un isolant, refusant de conduire un courant électrique.
Cette nouvelle méthode, démontrée par les chercheurs de JILA et de CU Boulder, peut également être utilisée pour révéler la nature des interactions quantiques des quasiparticules dans d’autres matériaux, tels que les supraconducteurs et les matériaux 2D.
« Nous sommes ravis qu’en étant capables de sonder avec précision les interactions entre les électrons, les phonons et les spins dans les matériaux sur leurs échelles de temps fondamentales, nous puissions découvrir pourquoi ces matériaux ont les propriétés qu’ils ont et également apprendre à les manipuler », a déclaré Murnane. .
