En utilisant des impulsions lumineuses sur mesure et de puissantes techniques de rayons X, les scientifiques ont découvert comment créer des états quantiques induits par la lumière et à longue durée de vie dans un matériau en oxyde de cuivre —quelque chose dont on pensait auparavant qu’il ne durait que des milliardièmes de seconde.
Cette avancée permet aux électrons de creuser des tunnels et de se retrouver piégés dans une nouvelle configuration, révélant des informations rares sur la symétrie électronique et ouvrant des possibilités pour des technologies révolutionnaires telles que les dispositifs optoélectroniques et le stockage de données quantiques.
Libérer les pouvoirs quantiques cachés avec la lumière
Certains matériaux possèdent des propriétés quantiques remarquables qui pourraient ouvrir la voie à des technologies de nouvelle génération, de l’électronique ultra-efficace aux batteries puissantes. Mais il y a un hic : ces comportements particuliers sont généralement cachés dans l’état naturel du matériau. Pour les révéler, les scientifiques ont besoin d’un moyen astucieux de les faire sortir doucement.
Une méthode puissante consiste à frapper le matériau avec des impulsions lumineuses extrêmement courtes. Ces impulsions peuvent modifier subtilement la manière dont les atomes et les électrons interagissent au niveau microscopique, permettant ainsi aux propriétés quantiques cachées du matériau d’émerger brièvement. Le problème ? Ces états induits par la lumière disparaissent presque instantanément, ne durant souvent que des milliardièmes de seconde. Cela les rend difficiles à étudier, et encore moins à utiliser dans des appareils réels.
Dans de rares cas, ces états durent un peu plus longtemps, mais les scientifiques ne comprennent toujours pas pleinement pourquoi, et il n’existe pas de règlement clair sur la manière de les créer à la demande.
Aujourd’hui, des chercheurs de l’Université Harvard, en collaboration avec des collègues de l’Institut Paul Scherrer (PSI) en Suisse, ont fait un grand pas en avant. En ajustant soigneusement la symétrie des états électroniques dans un matériau en oxyde de cuivre, ils ont réussi à créer un état quantique qui reste en place pendant plusieurs nanosecondes —environ mille fois plus longtemps que d’habitude. Ils y sont parvenus grâce au puissant laser à rayons X SwissFEL, qui les a aidés à déclencher et à observer ce comportement inhabituellement long.
Les échelles Cuprate : un terrain de jeu quantique simplifié
Le composé étudié, Sr14Cu24O41 – une échelle dite cuprate– est presque unidimensionnel. Il est composé de deux unités structurelles distinctes, les échelles et les chaînes, représentant la forme dans laquelle s’organisent les atomes de cuivre et d’oxygène. Cette structure unidimensionnelle offre une plate-forme simplifiée pour comprendre les phénomènes physiques complexes qui apparaissent également dans les systèmes de dimension supérieure.
“Ce matériau est comme notre mouche à fruits. « C’est la plateforme idéalisée que nous pouvons utiliser pour étudier les phénomènes quantiques généraux », commente le physicien expérimental de la matière condensée Matteo Mitrano de l’Université de Harvard, qui a dirigé l’étude.
Les astuces électroniques pour éviter les changements structurels
Une façon d’atteindre un état de non-équilibre à longue durée de vie (‘métastable’) est de le piéger dans un puits d’énergie dont il n’a pas assez d’énergie pour s’échapper. Cependant, cette technique risque d’induire des transitions de phase structurelles qui modifient la disposition moléculaire du matériau, et c’est quelque chose que Mitrano et son équipe voulaient éviter.
“Nous voulions déterminer s’il existait un autre moyen de verrouiller le matériau dans un état de non-équilibre par des méthodes purement électroniques”, explique Mitrano. C’est pour cette raison qu’une approche alternative a été proposée.
Briser la symétrie pour piéger la charge
Dans ce composé, les unités de chaîne contiennent une densité élevée de charge électronique, tandis que les échelles sont relativement vides. A l’équilibre, la symétrie des états électroniques empêche tout mouvement de charges entre les deux unités. Une impulsion laser conçue avec précision brise cette symétrie, permettant aux charges de creuser un tunnel quantique depuis les chaînes jusqu’aux échelles.
“C’est comme allumer et éteindre une vanne,” explique Mitrano. Une fois l’excitation laser désactivée, le tunnel reliant les échelles et les chaînes s’arrête, coupant la communication entre ces deux unités et piégeant le système dans un nouvel état de longue durée pendant un certain temps qui permet aux scientifiques de mesurer ses propriétés.
Capturer le mouvement quantique avec SwissFEL
Les impulsions de rayons X femtosecondes ultra-lumineuses générées au SwissFEL ont permis de capturer en action les processus électroniques ultrarapides régissant la formation et la stabilisation ultérieure de l’état métastable. En utilisant une technique connue sous le nom de diffusion inélastique résonante des rayons X résolue dans le temps (tr-RIXS) à la station terminale SwissFEL Furka, les chercheurs peuvent obtenir un aperçu unique des excitations magnétiques, électriques et orbitales – et de leur évolution au fil du temps – révélant des propriétés qui restent souvent cachées à d’autres sondes.
“Nous pouvons cibler spécifiquement les atomes qui déterminent les propriétés physiques du système”, commente Elia Razzoli, chef de groupe de la station terminale Furka et responsable du dispositif expérimental.
Cette capacité était essentielle pour décortiquer le mouvement électronique induit par la lumière qui a donné naissance à l’état métastable. “Grâce à cette technique, nous avons pu observer comment les électrons se déplaçaient à leur échelle de temps ultrarapide intrinsèque et ainsi révéler une métastabilité électronique”, ajoute Hari Padma, chercheur postdoctoral à Harvard et auteur principal de l’article.
Un sondage des états métastables résolu dans le temps
tr-RIXS donne un aperçu unique de la dynamique de l’énergie et de l’impulsion des matériaux excités, ouvrant de nouvelles opportunités scientifiques aux utilisateurs de SwissFEL dans l’étude des matériaux quantiques ; en effet, ces résultats proviennent de la première expérience menée par un groupe d’utilisateurs à la nouvelle station terminale de Furka. C’est l’intérêt porté au développement du tr-RIXS chez Furka qui a motivé l’équipe de Harvard à collaborer avec les scientifiques du PSI. “C’est une occasion rare de passer du temps sur une machine où l’on peut faire ce genre d’expériences,” commente Mitrano.
Depuis cette première expérience pilote, la station terminale Furka a subi des mises à niveau pour améliorer la résolution énergétique RIXS, et elle est prête à étudier de nouveaux types d’excitations individuelles et collectives, telles que les excitations sur réseau. “Cette expérience était très importante pour mettre en valeur le type d’expériences que nous pouvons réaliser. La station terminale et son instrumentation sont déjà bien meilleures maintenant, et nous continuerons à l’améliorer”, conclut Razzoli.
Vers les appareils quantiques et le stockage de données
Ces travaux représentent une avancée majeure dans le contrôle des matériaux quantiques loin de l’équilibre, avec de vastes implications pour les technologies futures. En stabilisant les états de non-équilibre induits par la lumière, l’étude ouvre de nouvelles possibilités pour concevoir des matériaux dotés de fonctionnalités réglables. Cela pourrait permettre la mise en place de dispositifs optoélectroniques ultrarapides, notamment des transducteurs qui convertissent les signaux électriques en lumière et vice versa, composants clés pour la communication quantique et l’informatique photonique. Il offre également une voie vers le stockage d’informations non volatiles, où les données sont codées dans des états quantiques créés et contrôlés par la lumière.
