Une équipe de physiciens a découvert une méthode pour arrêter temporairement la fusion ultra-rapide du silicium en utilisant une séquence soigneusement chronométrée d'impulsions laser. Cette découverte ouvre de nouvelles possibilités pour contrôler le comportement des matériaux dans des conditions extrêmes et pourrait améliorer la précision des expériences qui étudient comment l'énergie se déplace à travers les solides.
La recherche, publiée dans la revue Physique des communicationsa été dirigé par Tobias Zier et David A. Strubbe de l'Université de Californie à Merced, en collaboration avec Eeuwe S. Zijlstra et Martin E. Garcia de l'Université de Kassel en Allemagne. Leur travail se concentre sur les impulsions laser intenses et ultraffites affecte la structure atomique du silicium – un matériau largement utilisé dans l'électronique et les cellules solaires.
En utilisant des simulations informatiques avancées, les chercheurs ont montré qu'une seule impulsion laser à haute énergie fait généralement fondre le silicium en une fraction d'un trillionème de seconde.
Ce processus, connu sous le nom de fusion non thermique, se produit si rapidement que les atomes perdent leur structure ordonnée avant même d'avoir le temps de se réchauffer. Cependant, en divisant l'énergie laser en deux impulsions et en les chronométrant précisément, l'équipe a pu « faire une pause » ce processus de fusion et stabiliser le matériau dans un nouvel état métastable.
Les simulations ont été réalisées en utilisant une technique appelée AB Initio Molecular Dynamics, qui modélise le comportement des atomes et des électrons à partir des premiers principes.
Les chercheurs ont constaté que le premier impulsion laser met en mouvement les atomes, tandis que le deuxième impulsion – a été en retard par seulement 126 Femtosecondes – interfère avec ce mouvement d'une manière qui empêche les atomes de se désordonner. Cela crée un état temporaire où le matériau reste solide, même s'il a absorbé suffisamment d'énergie pour fondre.
Fait intéressant, cet état métastable conserve de nombreuses propriétés électroniques du cristal d'origine, y compris une bande interdite légèrement réduite, ce qui est important pour la façon dont le matériau mène l'électricité.
Les chercheurs ont également observé que les vibrations atomiques, ou phonons, dans cet état étaient plus cool et plus stables que prévu, suggérant que la deuxième impulsion « gèle effectivement » le mouvement atomique.
L'étude conclut que cette méthode d'utilisation d'impulsions laser chronométrées pourrait être appliquée à d'autres matériaux qui présentent un comportement similaire, permettant potentiellement de la création de nouvelles phases de matière ou d'améliorer la précision d'expériences qui mesurent comment l'énergie est transférée entre les électrons et les atomes.
Les auteurs suggèrent que les recherches futures pourraient explorer comment affiner cette technique pour différents matériaux et l'utiliser pour mieux comprendre la physique fondamentale des interactions légères.
