Faire en sorte que les photons jouent bien avec les électrons

Des chercheurs du MIT ont réussi à faire danser ensemble des photons et des électrons à la surface d'un type inhabituel de matériau appelé isolant topologique. Ce type de couplage avait été prédit par les théoriciens mais jamais observé auparavant.

Nuh Gedik avec le spectromètre à électrons que lui et son équipe ont utilisé pour étudier le comportement des électrons.

Les chercheurs suggèrent que cette découverte pourrait permettre de créer des matériaux dont les propriétés électroniques peuvent être réglées en temps réel, simplement en leur envoyant des faisceaux laser précis. Les travaux ouvrent une nouvelle voie pour la manipulation optique des états quantiques de la matière, déclare Nuh Gedik, professeur agrégé de physique et auteur principal d'un article en La science qui décrit le nouveau travail.

Gedik et son équipe ont tiré des impulsions extrêmement brèves de lumière laser dans l'infrarouge moyen - ne durant que quelques centaines de femtosecondes, ou des millionièmes de milliardième de seconde - sur un échantillon de l'isolant topologique, un matériau cristallin solide. Ils ont observé les résultats avec un spectromètre à électrons, une caméra spécialisée à grande vitesse.

Ce qu'ils ont vu lorsque les photons pulsés se sont mélangés aux électrons exotiques à la surface du matériau a démontré l'existence d'un mélange de mécanique quantique connu sous le nom d'état de Floquet-Bloch. Les états de Bloch (qui décrivent le mouvement régulier et répété des électrons dans un cristal) sont périodiques dans l'espace. Les états de Floquet (qui décrivent comment les photons interagissent avec la matière) sont périodiques dans le temps. Faire interagir électrons et photons de manière cohérente génère l'état de Floquet-Bloch, qui est périodique à la fois dans le temps et dans l'espace.

La caméra à grande vitesse a capturé des instantanés de l'état jamais vu auparavant de sa génération à sa disparition, un processus qui n'a duré que quelques centaines de femtosecondes. Les chercheurs ont également découvert que le comportement du matériau changeait lorsque la polarisation de la lumière changeait.

Leurs découvertes suggèrent qu'il est possible de modifier les propriétés électroniques d'un matériau, par exemple en le transformant d'un conducteur en un semi-conducteur, simplement en le diffusant avec une lumière polarisée d'une manière particulière. Normalement, pour produire des changements aussi spectaculaires dans les propriétés d'un matériau, vous devez lui faire quelque chose de violent, dit Gedik. Mais dans ce cas, il peut être possible de le faire simplement en le mettant en lumière.

Il faudra un certain temps pour évaluer les applications possibles, dit Gedik. Mais, suggère-t-il, cela pourrait être un moyen de concevoir des matériaux pour des fonctions spécifiques. Supposons que vous vouliez qu'un matériau fasse quelque chose – qu'il conduise l'électricité ou qu'il soit transparent, par exemple, dit-il. Nous le faisons généralement par des moyens chimiques. Avec cette nouvelle méthode, un flash de lumière laser peut suffire.

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