Des scientifiques capturent l’instant où la matière bascule dans un état extraordinaire

La recherche en science des matériaux pose une question fondamentale: comment les propriétés des matériaux peuvent-elles être modifiées pour répondre à des besoins technologiques toujours plus exigeants? Les scientifiques explorent des états métastables, qui offrent des opportunités pour des applications inédites dans le domaine de l’information et du stockage. Cette exploration de l’inconnu pourrait bien changer la face de la microélectronique et de la science des matériaux.

Les matériaux, qu’ils soient destinés à alimenter un feu ou à confectionner un pull, possèdent des propriétés spécifiques liées à leur structure atomique. Cette structure, véritable échafaudage, se présente sous des formes multiples et souvent complexes, résultant de l’interaction entre différents motifs atomiques. Le paysage atomique et électronique détermine comment un matériau interagira avec son environnement, incluant d’autres matériaux, des champs électriques et magnétiques, ainsi que la lumière.

Un matériau métastable sous laser

Les scientifiques du Laboratoire National d’Argonne du Département de l’Énergie des États-Unis, en collaboration avec divers établissements universitaires et autres laboratoires nationaux, ont étudié un matériau dont la structure change radicalement lorsqu’il est soumis à un pulse ultra-rapide de lumière laser. Après avoir été exposé, le matériau se trouve dans un état exotique, hors de l’équilibre ou de la stabilité, connu sous le nom d’état métastable.

«Ensemble, ces installations complémentaires accélèrent notre compréhension de la création d’état métastable,» a déclaré le physicien d’Argonne, Haidan Wen.

En 2019, l’équipe a créé un état métastable et a caractérisé le matériau avant et après sa transition. Grâce à des combinaisons de capacités avancées de rayons X et de lasers ultra-rapides, leurs expériences récentes ont révélé l’évolution de la structure du matériau pendant la transition. Les chercheurs ont capturé l’ensemble du processus en détail sur plusieurs ordres de magnitude temporels, allant des picosecondes aux microsecondes.

Ils se concentrent particulièrement sur la métastabilité dans une classe de matériaux appelée ferroélectriques, cruciaux dans les applications de détection et de mémoire. Comprendre ces transitions pourrait informer la conception de matériaux pour la prochaine génération de microélectronique.

«La majorité des matériaux utilisés en technologie se trouvent dans un état d’équilibre, ou leur état d’énergie le plus bas, afin qu’une technologie fonctionne de manière fiable sans variations de performance,» a mentionné Venkatraman Gopalan, professeur à l’Université d’État de Pennsylvanie et co-auteur de l’étude. «Cependant, cela est très restrictif, car des propriétés incroyables peuvent se cacher juste au-delà de l’équilibre.»

Les expériences et les techniques

Pour induire la transformation, les scientifiques ont exposé leur matériau stratifié à des pulses laser de moins de 100 femtosecondes. «C’est très, très rapide,» a commenté Haidan Wen. «La différence entre une seconde et une femtoseconde est comparable à la différence entre 30 000 ans et le clignement d’un œil.»

Pour observer l’évolution du matériau, l’équipe a utilisé deux lasers à électrons libres à rayons X : le Linac Coherent Light Source (LCLS) au DOE’s SLAC National Accelerator Laboratory et le SPring-8 Angstrom Compact free electron Laser (SACLA) au Japon. Ces instruments de pointe permettent de sonder des états de la matière à des échelles de longueur et de temps sans précédent.

Lorsque les photons du pulse laser frappent les atomes du matériau stratifié, ils libèrent une multitude d’électrons, désignés comme porteurs de charge ou photocarriers, permettant la transformation du système. À l’aide de la spectroscopie d’absorption transitoire au Centre pour les Matériaux Nanoscopiques d’Argonne, les scientifiques ont détecté l’activité des photocarriers.

«L’ordre se dissout à ce point,» a expliqué Wen, décrivant la phase de « soupe » où l’ordre initial des vortex commence à s’affaiblir, laissant place à un chaos chargé et chaud. Environ un milliardième de seconde plus tard, la soupe commence à refroidir et une nouvelle structure se forme, similaire à la cristallisation du sucre. Ce nouvel état est un supercristal, un cristal composé de nombreux petits cristaux.

«Les vortex existent toujours dans l’état final, mais ils sont tordus d’une manière très différente,» a déclaré John Freeland, physicien à Argonne et co-auteur de l’étude. «Ce qui est inattendu, c’est que le système finit par être plus ordonné qu’au début, ce qui n’est pas courant dans ces expériences.»

Légende illustration : Illustration de la transition du matériau, le temps étant représenté de gauche à droite. Une impulsion laser (à gauche) plonge le matériau dans le désordre (au milieu). De cette phase dite de soupe émerge une phase hautement ordonnée appelée supercristal (à droite). (Image du laboratoire national d’Argonne.)

Un article sur cette étude a été publié dans Nature Materials.