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« GPS » atomique : les transitions quantiques des matériaux capturées dans les tout premiers films atomiques

SciTechDaily

Les scientifiques de Brookhaven ont utilisé leur nouvelle technique de fonction de distribution de paires ultrarapide (uf-PDF) pour étudier la transition d'un matériau quantique vers une phase de matériau jusqu'alors inconnue. Le schéma ci-dessus montre comment l'absorption d'un photon laser initie un petit changement qui se propage à travers le matériau au fil du temps, plutôt que de modifier instantanément l'ensemble du matériau. Crédit : Jack Griffiths/Brookhaven National Laboratory

Les scientifiques ont développé une technique permettant de créer des films atomiques montrant la transition d'un matériau quantique d'isolant à métal, découvrant ainsi une nouvelle phase matérielle et faisant progresser la compréhension des propriétés matérielles avec des implications importantes pour la conception des matériaux.

Des scientifiques du laboratoire national de Brookhaven du département américain de l'énergie (DOE) ont créé les premiers films atomiques montrant comment les atomes se réorganisent localement au sein d'un matériau quantique lors de sa transition d'isolant à métal. Grâce à ces films, les chercheurs ont découvert une nouvelle phase de matériau qui met fin à un débat scientifique de longue date et pourrait faciliter la conception de nouveaux matériaux de transition avec des applications commerciales.

Cette recherche, récemment publiée dans Matériaux naturels, Cette découverte constitue une avancée méthodologique : les chercheurs ont démontré qu'une technique de caractérisation des matériaux appelée analyse de la fonction de distribution des paires atomiques (PDF) est réalisable et efficace dans les installations de laser à électrons libres à rayons X (XFEL). La PDF est généralement utilisée pour les expériences avec des sources de lumière synchrotron, au cours desquelles des échantillons sont bombardés d'impulsions de rayons X. En étudiant la façon dont les schémas de diffraction des rayons X changent après une interaction avec des matériaux, les scientifiques peuvent mieux comprendre les propriétés de ces matériaux. Mais ces expériences sont limitées par les impulsions de rayons X les plus courtes qui peuvent être générées.

Progrès dans la technologie des impulsions de rayons X

« C'est comme la vitesse d'obturation d'un appareil photo », explique Jack Griffiths, co-auteur principal de l'article. « Si vous prenez une photo de quelque chose qui change plus rapidement que la vitesse d'obturation de votre appareil photo, votre photo sera floue. Comme une vitesse d'obturation rapide, des impulsions de rayons X plus courtes nous aident à voir plus en détail les matériaux qui changent rapidement. » Griffiths était chercheur postdoctoral au sein du groupe de diffusion des rayons X du département de physique de la matière condensée et des sciences des matériaux (CMPMS) de Brookhaven lorsque la recherche a été menée et est maintenant chercheur postdoctoral à la National Synchrotron Light Source II (NSLS-II), une installation utilisateur du DOE Office of Science au Brookhaven Lab.

Les sources de lumière synchrotron sont idéales pour caractériser les matériaux qui ne changent pas ou qui évoluent en quelques minutes ou quelques heures, comme les batteries lorsqu'elles se chargent et se déchargent. Mais ce groupe de scientifiques souhaitait observer les changements de matériaux à l'échelle de la picoseconde.

« Il est difficile d’imaginer à quelle vitesse se déroule réellement une picoseconde », a déclaré Griffiths. En une seconde, la lumière peut faire sept fois et demie le tour de la Terre. Mais en une picoseconde, la lumière ne peut parcourir qu’un tiers de millimètre. « Les échelles de temps sont presque incomparables. »

Briser les barrières avec XFEL

Les scientifiques ont donc appliqué la technique PDF à un XFEL appelé Linac Coherent Light Source (LCLS), une installation utilisateur du DOE Office of Science au SLAC National Accelerator Laboratory du DOE qui génère des impulsions de rayons X incroyablement brillantes et courtes.

« Lorsque vous faites quelque chose pour la première fois, il y a toujours cette part d’inconnu. Cela peut être stressant mais aussi très excitant », a déclaré Emil Bozin, l’autre co-auteur principal et physicien du groupe de diffusion des rayons X du CMPMS. « Nous connaissions les principales limites de l’intégration de la PDF dans un XFEL, mais nous ne savions pas vraiment à quoi nous attendre. »

Simon Billinge

Simon Billinge, co-auteur de l'étude et titulaire d'un poste conjoint au Brookhaven Lab et à l'université de Columbia. Crédit : Timothy Lee/Columbia Engineering

Des découvertes révolutionnaires

Grâce à la « vitesse d’obturation » rapide du LCLS, les scientifiques ont pu créer des films expliquant le mouvement atomique, comme celui qui se produit lorsque leur échantillon de matériau quantique passe d’un métal à un isolant.

« J'ai été tout simplement époustouflé par son efficacité », a déclaré Simon Billinge, physicien au sein du groupe de diffusion des rayons X et professeur à Université de ColumbiaÉcole d'ingénierie et de sciences appliquées.

« C'est un peu comme si vous aviez besoin d'une application de navigation », a ajouté Billinge. « Vous savez où vous êtes et quelle est votre destination, mais vous avez besoin que l'application vous fournisse un itinéraire ou quelques options d'itinéraire. Ultrafast PDF était notre application de navigation. »

La compréhension de ces voies atomiques est une première étape importante pour la conception de matériaux de transition ayant une multitude d'applications dans les domaines de l'informatique, de la chimie et du stockage d'énergie. Une fois que les scientifiques ont compris comment les matériaux effectuent leur transition, ils peuvent alors manipuler les voies atomiques et concevoir des matériaux optimisés pour des applications commerciales. Les matériaux de mémoire informatique, par exemple, passent à une phase différente lorsqu'un fichier est enregistré. Dans ce cas, il est important de disposer de matériaux qui ne nécessitent pas beaucoup d'énergie pour changer de phase. Mais ils doivent également être résistants aux changements de phase indésirables et à la corruption des données sur de longues périodes.

Équipe de recherche sur le GPS atomique du laboratoire Brookhaven

L'équipe de recherche du Brookhaven Lab (de gauche à droite) : Longlong Wu, Ian Robinson, Jack Griffiths, Emil Bozin et Mark Dean. Crédit : Kevin Coughlin/Brookhaven National Laboratory

Efforts coordonnés

« Le fait de pouvoir utiliser la technologie PDF avec un XFEL a été le résultat d’un énorme effort organisationnel », a déclaré Ian Robinson, responsable du groupe de diffusion des rayons X au laboratoire Brookhaven et professeur au London Centre for Nanotechnology de l’University College London (UCL). Par exemple, a noté Robinson, « nous avons travaillé en étroite collaboration avec Sébastien Boutet et Vincent Esposito du LCLS pour déterminer que les lignes de lumière de cristallographie femtoseconde macromoléculaire (MFX) étaient les plus prometteuses pour la technique PDF. »

L'équipe comprenait également des physiciens de l'Université de Columbia, de l'Université du Wisconsin à Madison, du Laboratoire national d'Argonne du DOE et du Conseil des installations scientifiques et technologiques du Royaume-Uni.

Les chercheurs ont eu envie d’étudier une autre transition de phase du matériau quantique, que les scientifiques étudient comme « modèle » pour d’autres matériaux utiles. L’excitation du matériau par une impulsion laser a conduit à une découverte passionnante.

Découverte d'une nouvelle phase matérielle

Tout comme la transition de l'isolant au métal de ce matériau quantique, certaines transitions de matériaux sont provoquées par des changements de température, de pression ou de champ magnétique. Mais comme ces changements environnementaux peuvent se produire naturellement ou involontairement, ils peuvent s'avérer peu fiables pour certaines applications. En informatique, il est important que les matériaux responsables du stockage des fichiers ne changent pas de phase simplement parce qu'une pièce devient trop chaude ou trop froide.

Les chercheurs se sont donc intéressés aux transitions « hors équilibre », un changement d’état de la matière induit par un déclencheur fiable et contrôlé. Dans ce cas, ils ont électrocuté la matière quantique avec une impulsion laser.

Même si la lumière laser n'a perturbé que quelques atomes, les voisins de ces atomes ont réagi au changement. Et ensuite, les voisins des voisins ont ressenti l'impact, jusqu'à ce que le changement local se soit propagé dans tout le matériau quantique.

« C’était comme un tremblement de terre au fond de l’océan qui peut perturber un peu d’eau et créer une vague qui finit par atteindre le bord de l’océan », a ajouté Billinge.

Grâce à la technologie PDF ultrarapide, les chercheurs ont pu observer de près le mouvement atomique alors que l’échantillon était bombardé d’impulsions laser. Et pour la première fois, ils ont pu observer directement la transition de la matière quantique vers un nouvel état qui n’avait pas encore été identifié.

États transitoires et phases cachées

« C’était comme découvrir une nouvelle phase cachée de la matière, inaccessible lors des transitions d’équilibre », a déclaré Bozin.

La découverte des scientifiques a contribué à un débat de plusieurs années sur ce qui se passe réellement lorsque certains matériaux quantiques sont excités par un laser ; il ne s'agit pas simplement de chauffer le matériau, mais plutôt de générer un état intermédiaire transitoire « métastable ».

Il est intéressant de noter que le matériau était désordonné pendant des dizaines de picosecondes, « même s’il a commencé et s’est terminé dans un état ordonné », a déclaré Griffiths.

Robinson a ajouté : « La découverte d’un état transitoire représente une nouvelle phase du matériau, qui ne dure qu’un court laps de temps. C’est un signe essentiel qu’un matériau non découvert et totalement stable peut se trouver dans une composition proche. »

Les scientifiques sont impatients de découvrir ces matériaux « cachés ». Mais ils veulent aussi exploiter tout le potentiel de la nouvelle technique PDF ultra-rapide.

L'avenir du PDF ultra-rapide

« Il existe plusieurs formes de transitions de phase complexes dans les matériaux quantiques, et nous prévoyons de les explorer avec la technologie PDF ultrarapide », a déclaré Bozin. « La compréhension de ces transitions de phase peut faciliter le développement de matériaux commerciaux. Mais la communauté scientifique peut également utiliser cette technique pour répondre à des questions de physique fondamentale, explorer des phénomènes ultrarapides et construire de meilleurs supraconducteurs. »

Il a ajouté : « Bien que nous ayons répondu à des questions sur les voies de transition matérielle, il semble que nous ayons ouvert une porte plutôt que d’en fermer une. »

Comme ce projet, les projets futurs ne pourront aboutir sans une collaboration multidisciplinaire.

Collaboration multidisciplinaire

« Nous n’avons pas seulement utilisé les installations LCLS du SLAC », explique Billinge. « Les personnes qui y travaillent ont également joué un rôle essentiel dans la réussite du PDF ultrarapide. »

L'équipe de Brookhaven est prête à optimiser la technique PDF ultra-rapide, d'autant plus que LCLS est mis à niveau vers LCLS-II-HE, ce qui permettra des films moléculaires à résolution encore plus élevée.

« Il existe un intérêt international pour que cette technique devienne courante et efficace », a déclaré Bozin. « Et nous sommes impatients d’y participer. »

La préparation des échantillons a été effectuée au Center for Functional Nanomaterials, une installation du DOE Office of Science au Brookhaven Lab. Des mesures supplémentaires ont été prises à l'Advanced Photon Source, une installation du DOE Office of Science à Argonne.

Ce travail a été principalement soutenu par le Bureau des sciences du DOE.

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