Des lasers ultrarapides manipulent la structure de la magnétite

Des chercheurs de l'EPFL ont découvert qu'en projetant une lumière de différentes longueurs d'onde (couleurs) sur un matériau appelé magnétite, ils peuvent modifier son état, le rendant par exemple plus ou moins propice à l'électricité. Cette découverte pourrait conduire à de nouvelles façons de concevoir de nouveaux matériaux pour l’électronique, tels que le stockage de mémoire, les capteurs et d’autres dispositifs reposant sur des réponses matérielles rapides et efficaces.

“Il y a quelque temps, nous avons montré qu'il était possible d'induire une transition de phase inverse dans la magnétite”, explique le physicien Fabrizio Carbone de l'EPFL. “C'est comme si vous preniez de l'eau et que vous pouviez la transformer en glace en y mettant de l'énergie avec un laser. C'est contre-intuitif car normalement, pour congeler de l'eau, vous la refroidissez, c'est-à-dire en retirez de l'énergie.”

Aujourd'hui, Carbone a dirigé un projet de recherche visant à élucider et à contrôler les propriétés structurelles microscopiques de la magnétite lors de telles transitions de phase induites par la lumière.

L'étude a découvert qu'en utilisant des longueurs d'onde de lumière spécifiques pour la photoexcitation, le système peut conduire la magnétite dans des états métastables distincts hors équilibre (« métastable » signifie que l'état peut changer dans certaines conditions) appelés « phases cachées », révélant ainsi un nouveau protocole pour manipuler le matériau. propriétés à des échelles de temps ultrarapides.

Les résultats, qui pourraient avoir un impact sur l'avenir de l'électronique, sont publiés dans le Actes de l'Académie nationale des sciences.

Que sont les « états de non-équilibre » ? Un « état d’équilibre » est fondamentalement un état stable dans lequel les propriétés d’un matériau ne changent pas au fil du temps car les forces qui le composent sont équilibrées. Lorsque cela est perturbé, le matériau (le « système », pour être précis en termes de physique) entre dans un état de non-équilibre, présentant des propriétés qui peuvent confiner à l’exotisme et à l’imprévisible.

Les « phases cachées » de la magnétite

Une transition de phase est un changement dans l'état d'un matériau, dû à des changements de température, de pression ou d'autres conditions externes. Un exemple courant est l’eau qui passe de la glace solide au liquide ou du liquide au gaz lorsqu’elle bout.

Les transitions de phase dans les matériaux suivent généralement des voies prévisibles dans des conditions d'équilibre. Mais lorsque les matériaux sont déséquilibrés, ils peuvent commencer à montrer ce que l’on appelle des « phases cachées », c’est-à-dire des états intermédiaires qui ne sont normalement pas accessibles. L'observation des phases cachées nécessite des techniques avancées capables de capturer des changements rapides et infimes dans la structure du matériau.

Magnétite (Fe₃Ô₄) est un matériau bien étudié connu pour sa fascinante transition métal-isolant à basse température, allant de sa capacité à conduire l'électricité à son blocage actif. C'est ce qu'on appelle la transition de Verwey et elle modifie considérablement les propriétés électroniques et structurelles de la magnétite.

Grâce à son interaction complexe entre structure cristalline, charge et ordres orbitaux, la magnétite peut subir cette transition métal-isolant vers 125 K.

Les lasers ultrarapides induisent des transitions cachées dans la magnétite

“Pour mieux comprendre ce phénomène, nous avons réalisé cette expérience dans laquelle nous avons directement observé les mouvements atomiques se produisant lors d'une telle transformation”, explique Carbone. “Nous avons découvert que l'excitation laser amène le solide dans différentes phases qui n'existent pas dans des conditions d'équilibre.”

Les expériences ont utilisé deux longueurs d’onde de lumière différentes : le proche infrarouge (800 nm) et le visible (400 nm). Lorsqu'elle est excitée par des impulsions lumineuses de 800 nm, la structure de la magnétite a été perturbée, créant un mélange de régions métalliques et isolantes. En revanche, des impulsions lumineuses de 400 nm faisaient de la magnétite un isolant plus stable.

Pour surveiller les changements structurels de la magnétite induits par les impulsions laser, les chercheurs ont utilisé la diffraction électronique ultrarapide, une technique qui permet de « voir » les mouvements des atomes dans les matériaux sur des échelles de temps inférieures à la picoseconde (une picoseconde équivaut à un billionième de seconde).

La technique a permis aux scientifiques d’observer comment les différentes longueurs d’onde de la lumière laser affectent réellement la structure de la magnétite à l’échelle atomique.

La structure cristalline de la magnétite est ce que l'on appelle un « réseau monoclinique », où la cellule unitaire a la forme d'une boîte inclinée, avec trois bords inégaux, et deux de ses angles sont de 90 degrés tandis que le troisième est différent.

Lorsque la lumière à 800 nm brillait sur la magnétite, elle induisait une compression rapide du réseau monoclinique de la magnétite, le transformant en une structure cubique. Cela se déroule en trois étapes sur 50 picosecondes et suggère qu’il existe des interactions dynamiques complexes au sein du matériau. À l’inverse, la lumière visible à 400 nm a provoqué l’expansion du réseau, renforçant le réseau monoclinique et créant une phase plus ordonnée : un isolant stable.

Implications fondamentales et applications technologiques

L'étude révèle que les propriétés électroniques de la magnétite peuvent être contrôlées en utilisant sélectivement différentes longueurs d'onde lumineuses. Comprendre ces transitions induites par la lumière fournit des informations précieuses sur la physique fondamentale des systèmes fortement corrélés.

“Notre étude ouvre la voie à une nouvelle approche pour contrôler la matière à une échelle de temps ultra-rapide en utilisant des impulsions photoniques adaptées”, écrivent les chercheurs.

Être capable d'induire et de contrôler des phases cachées dans la magnétite pourrait avoir des implications significatives pour le développement de matériaux et de dispositifs avancés. Par exemple, des matériaux capables de basculer rapidement et efficacement entre différents états électroniques pourraient être utilisés dans les dispositifs informatiques et de mémoire de nouvelle génération.