Ombres et Lumières : Découvrir les Profondeurs Cachées des Matériaux Quantiques

Patrick Lesggie

Des chercheurs ont mis au point une technique optique avancée pour découvrir les propriétés cachées du matériau quantique Ta2NiSe5 (TNS) en utilisant la lumière. En utilisant la spectroscopie térahertz par domaine temporel, l’équipe a observé une amplification anormale de la lumière térahertz, indiquant la présence d’un condensat d’excitons. Cette découverte ouvre de nouvelles possibilités d’utilisation des matériaux quantiques dans les sources de lumière entrelacée et autres applications en physique quantique.

Les scientifiques ont utilisé une technique basée sur le laser pour révéler les propriétés quantiques cachées du matériau Ta2NiSe5, ce qui pourrait faire progresser le développement de sources de lumière quantique.

Certains matériaux ont des propriétés souhaitables qui sont cachées, et tout comme vous utiliseriez une lampe de poche pour voir dans l’obscurité, les scientifiques peuvent utiliser la lumière pour découvrir ces propriétés.

Des chercheurs de l’Université de Californie San Diego ont utilisé une technique optique avancée pour en savoir plus sur un matériau quantique appelé Ta2NiSe5 (TNS). Leur travail a été publié dans le journal Nature Materials.

Les matériaux peuvent être perturbés par différents stimuli externes, souvent avec des changements de température ou de pression ; cependant, comme la lumière est la chose la plus rapide de l’univers, les matériaux réagiront très rapidement aux stimuli optiques, révélant des propriétés qui resteraient autrement cachées.

Technique améliorée pour étudier les condensats d'excitons TNS

En utilisant une technique améliorée qui donnait accès à une plus large gamme de fréquences, l’équipe a pu découvrir certaines des propriétés cachées du condensat d’excitons TNS. Crédit : Sheikh Rubaiat Ul Haque / Stanford University

Techniques optiques avancées sur les matériaux quantiques

« En essence, nous projetons un laser sur un matériau et c’est comme de la photographie à arrêt sur image où nous pouvons suivre progressivement une certaine propriété de ce matériau », a déclaré le professeur de physique Richard Averitt, qui a dirigé la recherche et est l’un des auteurs de l’article. « En observant comment les particules constitutives se déplacent dans ce système, nous pouvons déduire ces propriétés qui sont vraiment difficiles à trouver autrement. »

L’expérience a été menée par l’auteur principal Sheikh Rubaiat Ul Haque, diplômé de l’UC San Diego en 2023 et maintenant chercheur postdoctoral à l’Université de Stanford. Avec Yuan Zhang, un autre étudiant diplômé du laboratoire d’Averitt, il a amélioré une technique appelée spectroscopie térahertz par domaine temporel. Cette technique permet aux scientifiques de mesurer les propriétés d’un matériau sur une plage de fréquences, et les améliorations de Haque leur ont permis d’avoir accès à une plus large gamme de fréquences.

États quantiques et amplification de lumière

Le travail était basé sur une théorie créée par un autre auteur de l’article, Eugene Demler, professeur à l’ETH de Zurich. Demler et son étudiant diplômé Marios Michael ont développé l’idée que lorsque certains matériaux quantiques sont excités par la lumière, ils peuvent se transformer en un milieu qui amplifie la lumière à fréquence térahertz. Cela a amené Haque et ses collègues à examiner de près les propriétés optiques de TNS.

Lorsqu’un électron est excité à un niveau supérieur par un photon, il laisse derrière lui un trou. Si l’électron et le trou sont liés, un exciton est créé. Les excitons peuvent également former un condensat — un état qui se produit lorsque des particules se regroupent et se comportent comme une seule entité.

La technique de Haque, soutenue par la théorie de Demler et en utilisant des calculs de la fonction de densité par le groupe d’Angel Rubio à l’Institut Max Planck de structure et de dynamique de la matière, l’équipe a pu observer une amplification anormale de la lumière térahertz, qui a découvert certaines des propriétés cachées du condensat d’excitons TNS.

Les condensats sont un état quantique bien défini et l’utilisation de cette technique spectroscopique pourrait permettre à certaines de leurs propriétés quantiques d’être imprimées dans la lumière. Cela peut avoir des implications dans le domaine émergent des sources de lumière entrelacées (où de multiples sources de lumière ont des propriétés interconnectées) utilisant des matériaux quantiques.

« Je pense que c’est un domaine très ouvert », a déclaré Haque. « La théorie de Demler peut s’appliquer à une série d’autres matériaux avec des propriétés optiques non linéaires. Avec cette technique, nous pouvons découvrir de nouveaux phénomènes induits par la lumière qui n’ont pas été explorés auparavant. »

Référence : “Terahertz parametric amplification as a reporter of exciton condensate dynamics” par Sheikh Rubaiat Ul Haque, Marios H. Michael, Junbo Zhu, Yuan Zhang, Lukas Windgätter, Simone Latini, Joshua P. Wakefield, Gu-Feng Zhang, Jingdi Zhang, Angel Rubio, Joseph G. Checkelsky, Eugene Demler and Richard D. Averitt, 3 janvier 2024, Nature Materials. DOI : 10.1038/s41563-023-01755-2

Financement fourni par le programme DARPA DRINQS (D18AC00014), le Fonds national Suisse de la science (200021_212899), l’Army Research Office (W911NF-21-1-0184), le Conseil européen de la recherche (ERC-2015-AdG694097), le pôle d’excellence ‘Advanced Imaging of Matter’ (AIM), les groupes consolidés (IT1249-19), la Deutsche Forschungsgemeinschaft (170620586), et l’Institut Flatiron.