Bond quantique dans le graphite : les attoscience éclairent la voie vers la superconductivité

Patrick Lesggie

La spectroscopie d’absorption des rayons X, un outil essentiel dans l’analyse des matériaux, a évolué avec l’avènement des impulsions de rayons X mous attosecondes. Ces impulsions permettent l’analyse simultanée de l’ensemble de la structure électronique d’un matériau, une percée menée par l’équipe de l’ICFO. Une étude récente a démontré la manipulation de la conductivité du graphite par interaction lumière-matière, révélant des applications potentielles dans les circuits photoniques et l’informatique optique. Cette avancée en spectroscopie ouvre de nouvelles voies pour l’étude de la dynamique à plusieurs corps des matériaux, un défi clé en physique moderne.

Les avancées dans la spectroscopie attoseconde des rayons X mous par les chercheurs de l’ICFO ont transformé l’analyse des matériaux, en particulier pour étudier les interactions lumière-matière et la dynamique à plusieurs corps, avec des implications prometteuses pour les applications technologiques futures.

La spectroscopie d’absorption des rayons X est une technique sélective pour l’élément et sensible à l’état électronique qui est l’une des techniques analytiques les plus largement utilisées pour étudier la composition des matériaux ou des substances. Jusqu’à récemment, la méthode nécessitait un balayage fastidieux de longueurs d’onde et ne fournissait pas une résolution temporelle ultra-rapide pour étudier la dynamique électronique. Au cours de la dernière décennie, le groupe de recherche « Attoscience and Ultrafast Optics » à l’ICFO, dirigé par le professeur de recherche ICREA Jens Biegert, a transformé la spectroscopie d’absorption des rayons X mous attoseconde en un nouvel outil analytique sans nécessité de balayage et avec une résolution temporelle attoseconde.

La percée dans la spectroscopie attoseconde des rayons X mous avec des impulsions d’une durée comprise entre 23 as et 165 as et une largeur de bande cohérente concomitante de 120 à 600 eV permet l’interrogation de l’ensemble de la structure électronique d’un matériau à la fois. La combinaison de la résolution temporelle pour détecter le mouvement électronique en temps réel et de la bande cohérente enregistre où se produit le changement, fournit un outil entièrement nouveau et puissant pour la physique et la chimie des solides. L’exposition du graphite à une impulsion laser infrarouge mi-ondes intenses induit une phase hybride lumière-matière fortement conductrice car les électrons excitées optiquement se couplent fortement à des phonons optiques cohérents. Les observations de cet état à plusieurs corps fortement excités optiquement deviennent possibles en étudiant la durée de vie des états électroniques excités avec une impulsion de rayon X mou attoseconde.

L’une des notions fondamentales en physique est l’interaction de la lumière avec la matière, par exemple pour comprendre comment l’énergie solaire est collectée dans les plantes ou comment une cellule solaire convertit la lumière en électricité. Un aspect essentiel des sciences des matériaux est la possibilité de modifier l’état quantique ou la fonction d’un matériau ou d’une substance avec la lumière. Ces recherches sur la dynamique à plusieurs corps des matériaux traitent des défis fondamentaux en physique contemporaine, tels que ce qui déclenche toute transition de phase quantique ou comment les propriétés des matériaux découlent des interactions microscopiques.

Dans une étude récente publiée dans la revue Nature Communications, les chercheurs de l’ICFO, Themis Sidiropoulos, Nicola Di Palo, Adam Summers, Stefano Severino, Maurizio Reduzzi et Jens Biegert, rapportent avoir observé une augmentation et un contrôle de la conductivité dans le graphite en manipulant l’état à plusieurs corps du matériau. Les chercheurs ont utilisé des impulsions optiques stables de 2 cycles à 1850 nm pour induire l’état hybride lumière-matière. Ils ont examiné la dynamique électronique avec des impulsions de rayons X mous attosecondes d’une durée de 165 as au seuil K du carbone du graphite à 285 eV. La mesure d’absorption des rayons X mous attoseconde a interrogé l’ensemble de la structure électronique du matériau à des intervalles de délai d’excitation et de sonde attoseconde. L’excitation à 1850 nm a induit un état de haute conductivité dans le matériau, qui existe uniquement en raison de l’interaction lumière-matière. Par conséquent, on l’appelle un état hybride lumière-matière.

Les chercheurs sont intéressés par de telles conditions, car elles devraient conduire à des propriétés quantiques des matériaux qui n’existent pas autrement en équilibre, et ces états quantiques peuvent être commutés à des vitesses optiques allant jusqu’à de nombreux THz. Cependant, il n’est pas clair dans une large mesure comment ces états se manifestent précisément à l’intérieur des matériaux. Ainsi, beaucoup de spéculations existent dans les rapports récents sur la supraconductivité induite par la lumière et d’autres phases topologiques. Les chercheurs de l’ICFO ont utilisé pour la première fois des impulsions attosecondes de rayons X mous pour « regarder à l’intérieur du matériau » alors que l’état de lumière-matière se manifeste.

Le premier auteur de l’étude, Themis Sidiropoulos, note que « l’exigence d’une sonde cohérente, d’une attoseconde de résolution temporelle et d’une synchronisation attoseconde entre impulsions d’excitation et de sonde est tout à fait nouvelle et nécessaire pour de telles nouvelles études rendues possibles par la science attoseconde. »

Contrairement aux techniques de twistronics et de graphène bicouche tordu, où les expérimentateurs manipulent les échantillons physiquement pour observer les changements des propriétés électroniques, Sidiropoulos explique que « au lieu de manipuler l’échantillon, nous excitions optiquement le matériau avec une forte impulsion lumineuse, excitant ainsi les électrons dans des états d’énergie élevée et observant comment ils se relaxent à l’intérieur du matériau, non seulement individuellement mais en tant que système global, en observant l’interaction entre ces porteurs de charge et le réseau cristallin lui-même. » Pour voir comment les électrons dans le graphite se relaxaient après l’application de l’intense impulsion de lumière, ils ont pris le spectre X-ray large et observé, premièrement, comment chaque état d’énergie se relaxait individuellement et, deuxièmement, comment l’ensemble du système d’électrons était excité, observant l’interaction à plusieurs corps entre la lumière, les porteurs et les noyaux à différents niveaux d’énergie. En observant ce système, ils ont pu voir que les niveaux d’énergie de tous les porteurs de charge indiquaient que la conductivité optique du matériau augmentait à un point, montrant des signatures ou des réminiscences d’une phase de supraconductivité.

Comment ont-ils pu voir cela ? En fait, dans une publication précédente, ils ont observé le comportement de phonons cohérents (non aléatoires), ou une excitation collective des atomes à l’intérieur du solide. Parce que le graphite a un réseau de phonons très solides (à haute énergie), ceux-ci peuvent transporter efficacement des quantités importantes d’énergie loin du cristal sans endommager le matériau par des vibrations mécaniques du réseau. Et parce que ces phonons cohérents se déplacent de manière aller-retour, comme une onde, les électrons à l’intérieur du solide semblent chevaucher l’onde, générant les signatures de la supraconductivité artificielle que l’équipe a observées.

Les résultats de cette étude montrent des applications prometteuses dans le domaine des circuits photoniques intégrés ou du calcul optique, en utilisant la lumière pour manipuler les électrons ou contrôler et manipuler les propriétés des matériaux avec la lumière. Comme le conclut Jens Biegert, « la dynamique à plusieurs corps est au cœur, et, sans doute, l’un des problèmes les plus difficiles de la physique contemporaine. Les résultats que nous avons obtenus ouvrent un nouveau champ de la physique, offrant de nouvelles façons d’investiguer et de manipuler les phases corrélées de la matière en temps réel, qui sont cruciales pour les technologies modernes. »