Une impulsion de lumière donne le tempo à la matière. Les atomes d'une feuille cristalline de quelques atomes d'épaisseur commencent à bouger, non pas au hasard, mais à un rythme coordonné, se tordant et se détordant de manière synchronisée comme des danseurs suivant un rythme.
Cette chorégraphie atomique, déclenchée par des explosions d’énergie précisément synchronisées, se produit beaucoup trop rapidement pour que l’œil humain ou même les outils scientifiques traditionnels puissent la détecter. La séquence entière se déroule en environ un billionième de seconde.
Pour en être témoin, une collaboration de chercheurs de l'Université Cornell et Stanford s'est tournée vers la diffraction électronique ultrarapide, une technique capable de filmer la matière à ses échelles de temps les plus rapides. À l’aide d’un instrument construit par Cornell et d’un détecteur à grande vitesse construit par Cornell, l’équipe a capturé des matériaux atomiquement minces répondant à la lumière avec un mouvement de torsion dynamique.
Leurs conclusions, récemment publiées dans Natureouvrent de nouvelles possibilités pour comprendre et contrôler le comportement des matériaux moirés, des structures 2D empilées dont les propriétés inhabituelles peuvent être ajustées simplement en tordant légèrement une couche sur une autre. Les résultats donnent un aperçu de la manière dont la lumière pourrait un jour être utilisée pour manipuler des matériaux en temps réel, avec des implications pour les technologies futures en supraconductivité, magnétisme et électronique quantique.
« Les gens savent depuis longtemps qu'en empilant et en tordant ces couches atomiquement minces, vous pouvez modifier le comportement d'un matériau. Vous pouvez le transformer en supraconducteur ou faire agir les électrons de manière étrange et nouvelle », a déclaré Jared Maxson, professeur de physique au Collège des Arts et des Sciences et co-auteur de l'article. « Ce qui est nouveau ici, c'est que nous améliorons cette torsion de manière dynamique avec la lumière et que nous la regardons se produire en temps réel. »
Jusqu’à présent, les chercheurs n’avaient pas pu observer directement comment ces couches réagissaient physiquement à un éclat de lumière. Mais dans cette étude, l’équipe de Cornell-Stanford a montré que les couches atomiques peuvent brièvement se tordre plus étroitement, puis rebondir, comme un ruban enroulé libérant son énergie.
« Auparavant, les chercheurs pensaient qu'une fois que vous empiliez ces matériaux moirés à un angle fixe, la structure entière était fixe », a déclaré l'auteur co-correspondant Fang Liu, chef de projet à Stanford, qui a créé les matériaux moirés pour cette recherche. « Ce que nous avons montré, c'est que ce n'est définitivement pas fixe du tout : les atomes vont bouger. En fait, les atomes à l'intérieur de chaque cellule unitaire de moiré feront une sorte de danse en cercle. »
Pour capturer cette danse éphémère, les chercheurs ont utilisé l'instrument de diffraction électronique ultrarapide construit et perfectionné dans le laboratoire de Maxson, qui déclenche d'intenses explosions d'électrons sur un échantillon juste après qu'il ait été frappé par une impulsion laser. Cette méthode de pompe et de sonde révèle comment les atomes se déplacent au fil du temps.
La clé du succès de l'expérience a été un détecteur ultra-sensible à grande vitesse développé à Cornell : le détecteur à matrice de pixels pour microscope électronique (EMPAD). Conçu à l'origine pour les images fixes, l'EMPAD a été utilisé d'une nouvelle manière, devenant essentiellement une caméra hypersensible pour les atomes.
« La plupart des détecteurs auraient brouillé le signal », a déclaré Maxson. « L'EMPAD nous a permis de capturer des caractéristiques incroyablement subtiles. Ce que nous recherchions aurait facilement pu se perdre dans le bruit. »
Pendant que Cornell construisait les outils et réalisait l'expérience, les matériaux spécialement conçus utilisés dans l'étude provenaient du laboratoire de Liu à Stanford. « Nous n'aurions jamais pu assister à ce phénomène sans combiner la compréhension des matériaux avec la compréhension des faisceaux d'électrons », a déclaré Maxson. « Nous pourrions construire la meilleure machine au monde, mais sans les bons matériaux et l'expertise nécessaire pour les fabriquer, cela n'arriverait pas. C'est ce qui a rendu cette collaboration avec le groupe de Fang si puissante. »
Liu a ajouté : « L'instrument ultrarapide de Jared est le seul capable de réellement voir le motif de moiré, et l'équipe de Maxson l'a même modifié en temps réel pour rendre l'expérience possible. Il s'agissait d'une véritable collaboration.
Aaron Lindenberg, professeur de sciences des matériaux à Stanford, a fourni des informations essentielles sur les données, a déclaré Maxson. Les données elles-mêmes ont été prises par Cameron Duncan, Ph.D. '22, alors qu'il était doctorant dans le groupe de Maxson. Duncan a continué à jouer un rôle central dans l'analyse des données et dans la reconstruction du mouvement atomique à partir des modèles de diffraction complexes.
« Nous avons été les premiers à réussir à trouver le signal de moiré ultrarapide parce que nous avons personnalisé notre matériel maison spécifiquement pour améliorer son pouvoir de résolution de diffraction », a déclaré Duncan. « C'était satisfaisant de voir notre travail acharné porter ses fruits avec ce résultat. »
Pour les travaux futurs, le laboratoire de Liu a déjà produit un nouvel ensemble d'échantillons de moiré conçus pour repousser encore plus loin les limites de l'instrument ultrarapide de Cornell. Les équipes prévoient la prochaine série d’expériences pour voir comment différents matériaux et angles de torsion réagissent à la lumière, des travaux qui pourraient approfondir leur compréhension de la manière de contrôler activement le comportement quantique en temps réel.
