Une carte atomique révèle des transitions ultrarapides dans des matériaux clés

ParisDes chercheurs du Laboratoire National de Brookhaven ont fait une découverte majeure. Ils ont réalisé les premiers films montrant comment les atomes se déplacent dans un matériau lorsqu'il passe d'un état isolant à un état métallique. Cette étude, publiée dans la revue Nature Materials, résout un débat de longue date parmi les scientifiques.

Points clés:

• Découverte d'une nouvelle phase matérielle
• Réalisé grâce à l'analyse de la fonction de distribution des paires atomiques (PDF)
• Utilisation des installations de laser à électrons libres à rayons X (XFEL)
• Observation de changements à l'échelle du picoseconde
• Applications potentielles en informatique, chimie et stockage d'énergie

La technique PDF est couramment utilisée dans les expériences avec des sources de lumière synchrotron. Ces expériences dépendent de la création d'impulsions X ultra-courtes pour gagner en rapidité. Les sources synchrotron sont efficaces pour suivre les changements des matériaux sur des périodes allant de quelques minutes à plusieurs heures. Cependant, les chercheurs visaient à observer des modifications survenant en quelques pico-secondes.

Pour atteindre cet objectif, ils ont employé la technique de diffusion PDF au Linac Coherent Light Source (LCLS) du SLAC National Accelerator Laboratory, qui fournit des impulsions de rayons X très courtes et intenses. Jack Griffiths, co-auteur de l'étude, a expliqué que ceci permet de capturer avec précision des objets se déplaçant à grande vitesse.

La méthode a permis à l'équipe de créer des films illustrant le déplacement des atomes lors des changements d'état des matériaux. Ces mouvements peuvent faciliter la conception de nouveaux matériaux à l'avenir.

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Des chercheurs ont découvert une nouvelle phase matérielle lors de transitions. Ils ont observé que des impulsions laser provoquaient des changements au niveau atomique, menant à une transition "hors équilibre". Cette découverte est cruciale pour des domaines comme l'informatique, où les matériaux doivent rester stables dans des conditions variées tout en pouvant changer de phase de manière fiable lorsque nécessaire.

Les chercheurs ont utilisé un laser pour frapper des atomes, ce qui a provoqué des modifications dans tout le matériau. Ces transformations ont conduit à un état temporaire et désordonné qui n'a duré qu'un court instant. Ils pensent que cela pourrait indiquer l'existence d'un matériau stable encore non découvert à proximité.

Des chercheurs de diverses institutions, comme l'Université de Columbia et le Laboratoire national d'Argonne, ont collaboré pour mettre au point cette technique PDF couronnée de succès aux XFEL. En sélectionnant minutieusement les meilleures lignes de faisceau pour leurs expériences, ils ont atteint leurs objectifs grâce à leurs efforts concertés.

Cette nouvelle méthode PDF nous fournit des informations sur les mouvements des atomes et les changements de phase des matériaux. Cela pourrait conduire à des améliorations dans les matériaux de calcul, les supraconducteurs et le stockage d'énergie. Les recherches futures exploreront différentes transitions de phase dans divers matériaux quantiques.

Avec la mise à niveau au LCLS-II-HE, l'équipe s'attend à mener des études encore plus détaillées. Cela rendra cette technique courante en science des matériaux. Les résultats permettront non seulement de résoudre des problèmes actuels, mais aussi de créer de nouvelles opportunités pour la recherche et les applications.