Lumière sur les propriétés cachées des matériaux quantiques

Des chercheurs ont réussi à dévoiler des propriétés jusqu’alors inconnues grâce à une technique optique avancée. Cette trouvaille ouvrirait de nouvelles perspectives dans le domaine des sources de lumière intriquées.

Des chercheurs de l’Université de Californie à San Diego ont utilisé une technique optique avancée pour étudier un matériau quantique appelé Ta2NiSe5 (TNS).

Les matériaux ont la capacité d’être perturbés par différents stimuli externes, souvent avec des changements de température ou de pression. La lumière étant la chose la plus rapide de l’univers, les matériaux répondent très rapidement aux stimuli optiques, révélant des propriétés qui resteraient autrement cachées.

« En substance, nous éclairons un matériau avec un laser et c’est comme une photographie en arrêt sur image où nous pouvons suivre progressivement une certaine propriété de ce matériau », a précisé le professeur de physique Richard Averitt, qui a dirigé la recherche et est l’un des auteurs de l’article.

Une amélioration de la spectroscopie en domaine temporel térahertz

L’expérience a été menée par l’auteur principal Sheikh Rubaiat Ul Haque et Yuan Zhang, un étudiant diplômé du laboratoire d’Averitt. Ils ont amélioré une technique appelée spectroscopie en domaine temporel térahertz.

Cette technique autorise les scientifiques à mesurer les propriétés d’un matériau sur une gamme de fréquences. Les améliorations obtenues leur ont permis d’accéder à une gamme plus large de fréquences.

Une théorie confirmée par l’expérience

Le travail était basé sur une théorie créée par un autre des auteurs de l’article, Eugene Demler, professeur à l’ETH Zürich. Demler et son étudiant 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 de fréquence térahertz. Ce constat les ont conduit à examiner de près les propriétés optiques du 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 les particules se rassemblent et se comportent comme une seule entité.

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

Des implications pour le domaine des sources de lumière intriquées

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 sur la lumière. La conséquence serait des implications dans le domaine émergent des sources de lumière intriquées (où plusieurs sources de lumière ont des propriétés interconnectées) en utilisant des matériaux quantiques.

« Je pense que c’est un domaine tout à fait ouvert », a ajouté le Pr. Haque. « La théorie de Demler peut être appliquée à une suite 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. »