Des films atomiques révèlent des changements à l’échelle de la picoseconde

Des scientifiques aux États-Unis ont réalisé une prouesse en créant les premiers films atomiques montrant comment les atomes se réarrangent localement dans un matériau quantique lorsqu’il passe d’un état isolant à un état métallique. Ils ont permis de découvrir une nouvelle phase matérielle, mettant fin à un débat scientifique de longue date et ouvrant la voie à la conception de nouveaux matériaux de transition avec des applications commerciales.

Les résultats de cette recherche représentent une réalisation méthodologique significative. Les chercheurs ont démontré que l’analyse de la fonction de distribution de paires atomiques (PDF) est faisable et réussie dans les installations de laser à électrons libres à rayons X (XFEL). Cette technique, généralement utilisée pour les expériences de sources de lumière synchrotron, a la capacité de mieux comprendre les propriétés des matériaux en étudiant les changements des motifs de diffraction des rayons X après leur interaction avec les matériaux.

Jack Griffiths du Brookhaven National Laboratory, co-auteur principal de l’étude, a expliqué : « C’est comme la vitesse d’obturation d’un appareil photo. Si vous prenez une photo de quelque chose qui change plus vite que la vitesse d’obturation de votre appareil, votre photo sera floue. Comme une vitesse d’obturation rapide, des impulsions de rayons X plus courtes nous aident à voir les matériaux changeants plus en détail. »

Observation des changements à l’échelle de la picoseconde

Les sources de lumière synchrotron sont excellentes pour caractériser des matériaux qui ne changent pas ou qui changent sur des échelles de temps allant de minutes à heures, comme les batteries lors de leur charge et décharge. Cependant, ce groupe de scientifiques voulait observer les changements des matériaux à l’échelle de la picoseconde.

« Il est difficile d’imaginer à quel point une picoseconde est rapide », a ajouté Jack Griffiths. En une seconde, la lumière peut parcourir 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.

Utilisation du LCLS pour des films atomiques

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

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

Implications pour la conception de nouveaux matériaux

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

Simon Billinge, physicien dans le groupe de diffusion des rayons X et professeur à l’École d’ingénierie et de sciences appliquées de l’Université de Columbia, a déclaré : « J’étais tout simplement époustouflé par le bon fonctionnement de cette technique. »

Billinge a ajouté : « C’est similaire à avoir besoin d’une application de navigation. Vous savez où vous êtes maintenant et quelle est votre destination, mais vous avez besoin de l’application pour vous donner un itinéraire ou quelques options d’itinéraires. La PDF ultrarapide était notre application de navigation. »

Efforts organisationnels et collaborations internationales

Ian Robinson, chef du groupe de diffusion des rayons X au Brookhaven Lab et professeur au London Centre for Nanotechnology à l’University College London (UCL), a déclaré : « Faire fonctionner la PDF avec un XFEL a été le résultat d’un énorme effort organisationnel. »

Il a également di : « Nous avons étroitement coordonné avec Sébastien Boutet et Vincent Esposito de LCLS pour déterminer que les lignes de faisceau 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, Madison, du DOE’s Argonne National Laboratory et du Science and Technology Facilities Council du Royaume-Uni.

Perspectives futures

Avec leurs expériences de preuve de concept réussies, les chercheurs étaient impatients d’examiner une autre transition de phase du matériau quantique, que les scientifiques étudient comme un « modèle » pour d’autres matériaux utiles. L’excitation du matériau avec une impulsion laser a conduit à une découverte passionnante.

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

Article : « Resolving length-scale-dependent transient disorder through an ultrafast phase transition » – DOI: 10.1038/s41563-024-01974-1