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Transformer les matériaux avec la lumière – permettre aux fenêtres de se transformer en miroirs et en ordinateurs ultra-rapides

Un laser puissant éclaire un matériau dans une pièce à basse température. Le laser est utilisé pour modifier le degré de transparence du matériau. Crédit : Caltech/David Hsieh Lab

Imaginez des fenêtres qui pourraient facilement se transformer en miroirs, ou des ordinateurs ultra-rapides qui fonctionnent non pas avec des électrons mais avec de la lumière. Ce ne sont là que quelques-unes des applications potentielles qui pourraient émerger de l’ingénierie photonique, qui consiste à utiliser des lasers pour modifier rapidement et temporairement les propriétés des matériaux.

« Ces outils peuvent vous permettre de transformer les propriétés électroniques des matériaux en appuyant simplement sur un interrupteur », explique David Hsieh, professeur de physique à Caltech. « Mais les techniques ont été limitées par le problème des lasers générant beaucoup de chaleur dans les matériaux. »

Dans une nouvelle étude en tempérer la natureHsieh et son équipe, y compris l’auteur principal et étudiant diplômé Johnny Chan, rapportent leur succès en utilisant des lasers pour sculpter de façon spectaculaire les propriétés des matériaux sans produire de chaleur nocive excessive.

« Les lasers nécessaires à ces expériences sont très puissants, il est donc difficile de ne pas chauffer et d’endommager le matériau », explique Chan. D’autre part, nous souhaitons que le matériau soit exposé à une lumière laser très intense. D’un autre côté, nous ne voulons pas du tout que le matériau absorbe cette lumière. »

L’équipe a trouvé un « point idéal » pour contourner ce problème, dit Chan, dans lequel la fréquence du laser est finement réglée pour modifier considérablement les propriétés du matériau sans transférer de chaleur indésirable.

johnny chan

Johnny Chan Crédit: Caltech

Les scientifiques disent également avoir trouvé un matériau idéal pour démontrer cette méthode. Le matériau, un semi-conducteur appelé phosphore trisulfure de manganèse, n’absorbe naturellement qu’une petite quantité de lumière sur une large gamme de fréquences infrarouges. Pour leurs expériences, Hsieh, Chan et leurs collègues ont utilisé des impulsions laser infrarouges intenses, chacune d’une durée d’environ 10 à 13 secondes, pour modifier rapidement l’énergie des électrons dans le matériau. En conséquence, le matériau est passé d’un état très opaque à un état très transparent pour certaines couleurs de lumière.

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Le plus important, selon les chercheurs, est que le processus est réversible. Lorsque le laser s’éteint, le matériau revient immédiatement à son état d’origine complètement intact. Cela ne serait pas possible si le matériau absorbait la lumière laser et était chauffé car il faudrait beaucoup de temps au matériau pour dissiper la chaleur. Le traitement sans chaleur utilisé dans le nouveau procédé est connu sous le nom de « ingénierie optique cohérente ».

La méthode fonctionne parce que la lumière modifie les différences entre les niveaux d’énergie des électrons dans un semi-conducteur (appelés bandes interdites) sans pousser les mêmes électrons à différents niveaux d’énergie, ce qui génère de la chaleur.

David Hsieh

David Hsieh. Crédit : Institut de technologie de Californie

« C’est comme si vous aviez un bateau et qu’une grosse vague arrive et secoue durement le bateau de haut en bas sans faire tomber aucun des passagers », explique Hsieh. « Nos lasers secouent vigoureusement les niveaux d’énergie du matériau, ce qui modifie les propriétés des matériaux, mais les électrons restent constants. »

Les chercheurs ont déjà théorisé le fonctionnement de cette méthode. Par exemple, dans les années 1960, John H. Shirley (PhD 63) fournit des idées mathématiques sur la façon de résoudre les niveaux d’énergie électronique dans une substance en présence de lumière. Sur la base de ces travaux, l’équipe Caltech de Hsieh a collaboré avec les théoriciens Mengxing Ye et Leon Balents de l’Université de Californie à Santa Barbara, pour calculer les effets attendus de l’éclairage laser dans les phosphores trisulfure de manganèse. La théorie a comparé les expériences avec « merveilleux » santédit Hsieh.

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Hsieh dit que les résultats signifient que d’autres chercheurs peuvent désormais utiliser la lumière pour créer des matériaux artificiels, tels que des aimants quantiques exotiques, qui auraient été difficiles voire impossibles à créer naturellement.

« En principe, cette méthode peut modifier les propriétés optiques, magnétiques et de nombreuses autres propriétés des matériaux », explique Chan. « C’est une façon alternative de pratiquer la science des matériaux. Au lieu de fabriquer de nouveaux matériaux pour obtenir des propriétés différentes, nous pouvons prendre un seul matériau et finalement lui donner un large éventail de propriétés utiles. « 

Référence : « Modulation géante de la linéarité optique par géométrie de troupeau » Par Jun Yi Shan, Mi Yi, H Chu, Sungmin Lee, Ji Jeon Park, L. Balients et De Hsieh, 8 décembre 2021 Disponible ici. tempérer la nature.
DOI : 10.1038 / s41586-021-04051-8

L’étude a été financée par le bureau de recherche de l’armée. Fondation David et Lucille Packard; National Science Foundation via l’Institute for Information and Quantum Matter de Caltech et via l’Université de Californie à Santa Barbara ; Fondation Gordon et Betty Moore; et la Fondation nationale pour la recherche de Corée. D’autres auteurs incluent Hao Chu (PhD 17), ainsi que Sungmin Lee et Ji Geun Park de l’Université nationale de Séoul.

Delphine Perrault

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