Atomic ‘GPS’: Transition de matériaux quantiques capturée dans les premiers films atomiques.

Les scientifiques de Brookhaven ont utilisé leur nouvelle technique de fonction de distribution de paires ultrarapide (uf-PDF) pour explorer la transition d’un matériau quantique vers une phase de matériau jusqu’alors inconnue. Le schéma ci-dessus montre comment l’absorption d’un photon laser initie un petit changement qui se propage dans le matériau au fil du temps, plutôt que de changer instantanément l’ensemble du matériau. Crédit : Jack Griffiths/Brookhaven National Laboratory

Les scientifiques ont développé une technique pour créer des films atomiques qui montrent la transition d’un matériau quantique d’isolant à métal, découvrant une nouvelle phase de matériau et faisant progresser la compréhension des propriétés des matériaux avec des implications importantes pour la conception des matériaux.

Les scientifiques du laboratoire national de Brookhaven du département américain de l’énergie (DOE) ont créé les tout premiers films atomiques montrant comment les atomes se réorganisent localement dans un matériau quantique lors de sa transition d’isolant à métal. Grâce à ces films, les chercheurs ont découvert une nouvelle phase de matériau qui met fin à un débat scientifique de longue date et pourrait faciliter la conception de nouveaux matériaux de transition avec des applications commerciales.

Cette recherche, récemment publiée dans Nature Materials, marque une avancée méthodologique : les chercheurs ont démontré qu’une technique de caractérisation des matériaux appelée analyse de la fonction de distribution des paires atomiques (PDF) est réalisable – et efficace – dans les installations de laser à électrons libres à rayons X (XFEL). La PDF est généralement utilisée pour les expériences avec des sources de lumière synchrotron, au cours desquelles des échantillons sont bombardés d’impulsions de rayons X. En étudiant la façon dont les schémas de diffraction des rayons X changent après une interaction avec des matériaux, les scientifiques peuvent mieux comprendre les propriétés de ces matériaux. Mais ces expériences sont limitées par les impulsions de rayons X les plus courtes qui peuvent être générées.

« C’est comme la vitesse d’obturation d’un appareil photo », explique Jack Griffiths, co-auteur principal de l’article. « Si vous prenez une photo de quelque chose qui change plus rapidement que la vitesse d’obturation de votre appareil photo, votre photo sera floue. Comme une vitesse d’obturation rapide, des impulsions de rayons X plus courtes nous aident à voir plus en détail les matériaux qui changent rapidement. » Griffiths était chercheur postdoctoral au sein du groupe de diffusion des rayons X du département de physique de la matière condensée et des sciences des matériaux (CMPMS) de Brookhaven lorsque la recherche a été menée et est maintenant chercheur postdoctoral à la National Synchrotron Light Source II (NSLS-II), une installation utilisateur du DOE Office of Science au laboratoire de Brookhaven.

Les sources de lumière synchrotron sont excellentes pour caractériser les matériaux qui ne changent pas ou les matériaux qui changent en quelques minutes ou heures, comme les batteries lorsqu'elles se chargent et se déchargent. Mais ce groupe de scientifiques voulait observer les changements de matériaux à l'échelle de la picoseconde.

« Il est difficile d'imaginer à quelle vitesse se déroule réellement une picoseconde », a déclaré Griffiths. En une seconde, la lumière peut faire sept fois et demie le tour de la Terre. Mais en une picoseconde, la lumière ne peut parcourir qu'un tiers de millimètre. « Les échelles de temps sont presque incomparables. » Les scientifiques ont donc appliqué la technique PDF à un XFEL appelé Linac Coherent Light Source (LCLS), une installation utilisateur du DOE Office of Science au SLAC National Accelerator Laboratory du DOE qui génère des impulsions de rayons X incroyablement brillantes et courtes.

« Lorsque vous faites quelque chose pour la première fois, il y a toujours cet aspect d’inconnu. Cela peut être stressant mais aussi très excitant », a déclaré Emil Bozin, l’autre co-auteur principal et physicien au sein du CMPMS X-ray Scattering Group. « Nous connaissions les principales limites de l’application de la PDF à un XFEL, mais nous ne savions pas vraiment à quoi nous attendre. »

Simon Billinge, co-auteur de l’étude, qui occupe un poste conjoint au Brookhaven Lab et à l’université de Columbia. Crédit : Timothy Lee/Columbia Engineering

Grâce à la « vitesse d’obturation » rapide du LCLS, les scientifiques ont pu créer des films élucidant le mouvement atomique, comme celui qui se produit lorsque leur échantillon de matériau quantique passe d’un métal à un isolant.

« J’ai été tout simplement époustouflé par l’efficacité de cette technologie », a déclaré Simon Billinge, physicien au sein du groupe de diffusion des rayons X et professeur à la faculté d’ingénierie et de sciences appliquées de l’université de Columbia.

« C’est un peu comme si vous aviez besoin d’une application de navigation », a ajouté Billinge. « Vous savez où vous êtes et quelle est votre destination, mais vous avez besoin de l’application pour vous donner un itinéraire ou quelques options d’itinéraire. Ultrafast PDF était notre application de navigation. »

La compréhension de ces itinéraires atomiques est une première étape importante pour la conception de matériaux de transition avec une myriade d’applications en informatique, en chimie et en stockage d’énergie. Une fois que les scientifiques ont compris comment les matériaux effectuent la transition, ils peuvent alors manipuler les itinéraires atomiques et concevoir des matériaux optimisés pour des applications commerciales. Les matériaux de mémoire d’ordinateur, par exemple, passent à une phase différente lorsqu’un fichier est enregistré. Dans ce cas, il est important d’avoir des matériaux qui ne nécessitent pas beaucoup d’énergie pour changer de phase. Mais ils doivent également être résistants aux changements de phase indésirables et à la corruption des données sur le long terme.