Une équipe de physiciens a découvert une méthode permettant d’arrêter temporairement la fusion ultra-rapide du silicium à l’aide d’une séquence soigneusement chronométrée d’impulsions laser. Cette découverte ouvre de nouvelles possibilités pour contrôler le comportement des matériaux dans des conditions extrêmes et pourrait améliorer la précision des expériences qui étudient la façon dont l’énergie se déplace à travers les solides.
Cette recherche, publiée dans la revue Communications Physics, a été menée par Tobias Zier et David A. Strubbe de l’université de Californie à Merced, en collaboration avec Eeuwe S. Zijlstra et Martin E. Garcia de l’université de Kassel en Allemagne. Leurs travaux portent sur la manière dont des impulsions laser ultra-courtes et intenses affectent la structure atomique du silicium, un matériau largement utilisé dans l’électronique et les cellules solaires.
À l’aide de simulations informatiques avancées, les chercheurs ont montré qu’une seule impulsion laser à haute énergie provoque généralement la fusion du silicium en une fraction de trillionième de seconde. Ce processus, appelé fusion non thermique, est si rapide que les atomes perdent leur structure ordonnée avant même d’avoir eu le temps de chauffer. Cependant, en divisant l’énergie laser en deux impulsions et en les synchronisant avec précision, l’équipe a pu « mettre en pause » ce processus de fusion et stabiliser le matériau dans un nouvel état métastable.
Les simulations ont été réalisées à l’aide d’une technique appelée dynamique moléculaire ab initio, qui modélise le comportement des atomes et des électrons à partir des principes fondamentaux. Les chercheurs ont découvert que la première impulsion laser met les atomes en mouvement, tandis que la seconde impulsion, retardée de seulement 126 femtosecondes, interfère avec ce mouvement de manière à empêcher les atomes de se désordonner. Cela crée un état temporaire dans lequel le matériau reste solide, même s’il a absorbé suffisamment d’énergie pour fondre.
Il est intéressant de noter que cet état métastable conserve bon nombre des propriétés électroniques du cristal d’origine, notamment une bande interdite légèrement réduite, ce qui est important pour la conductivité électrique du matériau. Les chercheurs ont également observé que les vibrations atomiques, ou phonons, dans cet état étaient plus froides et plus stables que prévu, ce qui suggère que la deuxième impulsion « gèle » efficacement le mouvement atomique.
L’étude conclut que cette méthode utilisant des impulsions laser synchronisées pourrait être appliquée à d’autres matériaux présentant un comportement similaire, ce qui permettrait potentiellement de créer de nouvelles phases de la matière ou d’améliorer la précision des expériences mesurant le transfert d’énergie entre les électrons et les atomes. Les auteurs suggèrent que les recherches futures pourraient explorer comment affiner cette technique pour différents matériaux et l’utiliser pour mieux comprendre la physique fondamentale des interactions entre la lumière et la matière.
Article : « Pausing ultrafast melting by timed multiple femtosecond-laser pulses » – DOI : Schéma d’excitation CREDIT Tobias Zier10.1038/s42005-025-02238-3
Source : UC Merced
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