Mettre en lumière les propriétés cachées des matériaux quantiques

Des chercheurs de l'Université de Californie à San Diego ont utilisé une technique optique avancée pour en apprendre davantage sur un matériau quantique appelé Ta.₂NiSe₅ (TNS). Leur travail apparaît dans Matériaux naturels.

Les matériaux peuvent être perturbés par différents stimuli externes, souvent avec des changements de température ou de pression ; Cependant, comme la lumière est l'élément le plus rapide de l'univers, les matériaux réagissent très rapidement aux stimuli optiques, révélant des propriétés qui autrement resteraient cachées.

“Essentiellement, nous dirigeons un laser sur un matériau et c'est comme une photographie stop-action où nous pouvons suivre progressivement une certaine propriété de ce matériau”, a déclaré le professeur de physique Richard Averitt, qui a dirigé la recherche et est l'un des auteurs de l'article. “En examinant comment les particules constitutives se déplacent dans ce système, nous pouvons découvrir ces propriétés qui sont vraiment difficiles à trouver autrement.”

L’expérience a été menée par l’auteur principal Sheikh Rubaiat Ul Haque, diplômé de l’UC San Diego en 2023 et maintenant chercheur postdoctoral à l’Université de Stanford. Lui et Yuan Zhang, un autre étudiant diplômé du laboratoire d'Averitt, ont amélioré une technique appelée spectroscopie dans le domaine temporel térahertz. Cette technique permet aux scientifiques de mesurer les propriétés d'un matériau sur une gamme de fréquences, et les améliorations apportées par Haque leur ont permis d'accéder à une gamme de fréquences plus large.

Le travail était basé sur une théorie créée par un autre auteur de l'article, Eugene Demler, professeur à l'ETH Zürich. Demler et son étudiant diplômé Marios Michael ont développé l'idée selon laquelle lorsque certains matériaux quantiques sont excités par la lumière, ils peuvent se transformer en un milieu qui amplifie la lumière à la fréquence térahertz. Cela a conduit Haque et ses collègues 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.

La technique de Haque, soutenue par la théorie de Demler et utilisant les calculs fonctionnels de densité effectués par le 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 de l'exciton du TNS. condensat.

Les condensats sont un état quantique bien défini et l’utilisation de cette technique spectroscopique pourrait permettre d’imprimer certaines de leurs propriétés quantiques sur la lumière. Cela pourrait avoir des implications dans le domaine émergent des sources de lumière intriquées (où plusieurs sources de lumière ont des propriétés interconnectées) utilisant des matériaux quantiques.

“Je pense que c'est une zone très ouverte”, a déclaré Haque. “La théorie de Demler peut être appliquée à une suite d'autres matériaux dotés de propriétés optiques non linéaires. Avec cette technique, nous pouvons découvrir de nouveaux phénomènes induits par la lumière qui n'ont jamais été explorés auparavant.”

Financement assuré par le programme DARPA DRINQS (D18AC00014), le Fonds national suisse (200021_212899), le Army Research Office (W911NF-21-1-0184), le Conseil européen de la recherche (ERC-2015-AdG694097), le Cluster of Excellence' Advanced Imaging of Matter' (AIM), Grupos Consolidados (IT1249-19), Deutsche Forschungsgemeinschaft (170620586) et Flatiron Institute.