Les chercheurs en ingénierie de Cornell ont démontré qu'en zappant un film mince synthétique avec des impulsions ultra-rapides de lumière infrarouge basse fréquence, ils peuvent provoquer une expansion atomique et contracter des milliards de fois par seconde – une « respiration », axée sur les properties électriques ou optiques « , à changer rapidement.
La recherche a été publiée dans Lettres d'examen physique. Les auteurs de co-dirigeants du document sont l'ancien chercheur postdoctoral Jakob Gollwitzer et le doctorant Jeffrey Kaaret.
L'étirement et l'écrasement d'un matériau pour induire une tension est une méthode courante pour manipuler ses propriétés, mais l'utilisation de la lumière à cette fin a été moins étudiée, selon Nicole Benedek, professeur agrégé de science et d'ingénierie des matériaux, qui a co-a co-dirigé le projet avec Andrej Singer, professeur agrégé de science et d'ingénierie des matériaux en ingénierie Cornell.
« Du côté théorie, chaque fois que vous essayez de faire quoi que ce soit avec la lumière, cela devient immédiatement très compliqué », a déclaré Benedek. « Lorsqu'un matériau interagit avec la lumière, nous ne savons pas vraiment ce qui se passe à un niveau détaillé, et vous devez donc essayer de glaner autant d'informations à partir d'expériences que possible pour construire un modèle. »
Benedek a utilisé la théorie informatique pour prédire la fréquence optimale de la lumière et d'autres paramètres expérimentaux qui, en combinaison avec le bon matériau, réaliseraient une souche « dynamique » qui pourrait être inversée.
« Normalement, lorsque nous cultivons des matériaux sous tension, une fois le matériau synthétisé, c'est tout, la tension ne peut pas changer. C'est juste là », a déclaré Benedek. « Mais cette tension dynamique est un changement très court dans la forme, puis elle disparaît. »
Les chercheurs ont déterminé qu'ils pouvaient obtenir la déformation souhaitée en tirant des rafales de picoseconde de la lumière térahertz, qui est essentiellement à la même fréquence basse que les phonons, un type de vibration du réseau qui est l'équivalent sonore des photons et des voyages à travers les ondes sonores.
« L'atome peut se balancer autour de sa position, comme un enfant sur un swing », a déclaré Singer. « Si vous le balancez à la bonne fréquence, vous pouvez augmenter l'amplitude de cet atome, et c'est exactement ce que nous faisons. Nous réglons la fréquence et excitons un mouvement atomique spécifique qui entraîne l'expansion rapide du réseau. La lumière génère un état matérial entièrement nouvel qui ne serait pas possible de faire autrement. »
Les chercheurs avaient besoin du bon matériau pour s'associer à ce processus. Ils ont choisi l'aluminate de lanthane, qui, comme les films minces, n'est pas très flashy. En fait, c'est assez ennuyeux.
C'est pourquoi ils l'ont sélectionné.
« Dans son état normal, il n'a pas vraiment de propriétés passionnantes », a déclaré Benedek. « Parce que la théorie est très difficile, nous voulions quelque chose aussi simple que possible, et il y a eu l'intérêt de la communauté légère dans ce matériel. Nous l'avons donc choisi parce que cela allait nous faciliter la vie. Mais ensuite, il s'est avéré très intéressant. »
L'équipe s'est tournée vers Darrell Schlom, professeur de l'Université Tisch au Département de science des matériaux et d'ingénierie (Cornell Engineering), qui a synthétisé le matériau via l'épitaxy à faisceau moléculaire d'oxyde. L'expérience a été menée avec un laser à électrons francs par des collaborateurs au Stanford Linear Accelerator Center (SLAC) National Accelerator Laboratory.
L'analyse a confirmé que le zappage des phonons avec des éclats ultra-rapides de lumière térahertz a induit la souche prévue. Mais ce n'est pas tout: les chercheurs ont également découvert que le processus a amélioré la structure de l'aluminate de lanthane en permanence.
« C'était quelque chose que nous ne nous attendions pas », a déclaré Singer, dont le groupe a interprété la caractérisation des rayons X. « Ce matériau particulier a des domaines des mêmes structures, orientés de différentes manières, et séparés par la frontière du domaine. Les phonons excités créent une nouvelle structure qui se forme à cette frontière de domaine et se propage latéralement à travers la surface du film. Nous induions un état plus cristallin et plus ordonné. »
Tous les matériaux ont leurs limites et ne peuvent être étirés et compressés que beaucoup. Mais l'utilisation de la lumière à basse fréquence ouvre désormais de nouvelles opportunités, telles que la commutation entre deux états différents dans le même matériau, l'activation et la désactivation des propriétés électroniques et magnétiques, et induisant des réarrangements structurels pour la suprconductivité.
« La combinaison de la théorie, de la synthèse et de la caractérisation nous permet de comprendre comment la lumière interagit avec la famille des matériaux d'oxyde complexe et d'accès aux propriétés au-delà de ce qui est possible avec les méthodes standard », a déclaré Singer.
