Imaginez construire une tour LEGO avec des blocs parfaitement alignés. Chaque bloc représente un atome dans un minuscule cristal, connu sous le nom de point quantique. Tout comme la baisse de la tour peut déplacer les blocs et changer sa structure, les forces externes peuvent déplacer les atomes dans un point quantique, brisant sa symétrie et affectant ses propriétés.
Les scientifiques ont appris qu’ils peuvent intentionnellement provoquer une rupture de symétrie – ou une restauration de symétrie – dans des points quantiques pour créer de nouveaux matériaux avec des propriétés uniques. Dans une étude récente, les chercheurs du Laboratoire national Argonne National Department of Energy (DOE) du Département américain (DOE) ont découvert comment utiliser la lumière pour changer la disposition des atomes dans ces minuscules structures.
Les points quantiques en matériaux semi-conducteurs, tels que le sulfure de plomb, sont connus pour leurs propriétés optiques et électroniques uniques en raison de leur petite taille, leur donnant le potentiel de révolutionner des champs tels que l’électronique et l’imagerie médicale. En exploitant la capacité de contrôler la symétrie dans ces points quantiques, les scientifiques peuvent adapter les matériaux pour avoir des propriétés spécifiques liées à la lumière et à l’électricité. Cette recherche ouvre de nouvelles possibilités de conception de matériaux qui peuvent effectuer des tâches auparavant jugées impossibles, offrant une voie vers des technologies innovantes.
En règle générale, le sulfure de plomb devrait former une structure cristalline cubique, caractérisée par une symétrie élevée similaire à celle du sel de table. Dans cette structure, les atomes de plomb et de soufre devraient s’organiser dans un réseau très ordonné, un peu comme des blocs LEGO rouges et bleus alternés.
Cependant, les données précédentes ont suggéré que les atomes de plomb n’étaient pas précisément là où ils devaient être. Au lieu de cela, ils étaient légèrement décentrants, conduisant à une structure avec moins de symétrie.
« Lorsque les symétries changent, cela peut changer les propriétés d’un matériau, et c’est presque comme un tout nouveau matériau », a expliqué le physicien d’Argonne Richard Schaller. « Il y a beaucoup d’intérêt pour la communauté scientifique pour trouver des moyens de créer des états de matière qui ne peuvent pas être produits dans des conditions normales. »
L’équipe a utilisé des techniques avancées laser et radiographie pour étudier comment la structure des points quantiques de sulfure de plomb a changé lorsqu’il est exposé à la lumière. Au DOE’s SLAC National Accelerator Laboratory, ils ont utilisé un outil appelé Megaelectronvolt Ultrafast Electron Diffraction (Mev-Eed) pour observer le comportement de ces points quantiques dans des délais incroyablement courts, jusqu’à un trillionème de seconde.
Pendant ce temps, à la source de photons avancée (APS), une installation d’utilisateurs de la DOE Office of Science à Argonne, ils ont mené des expériences de diffusion en rayons X totaux ultra-rapides utilisant la ligne de faisceau 11-ID-D pour étudier les changements structurels temporaires à des échelles de temps jusqu’à un milliard de secondes. Ces mesures de rayons X ont bénéficié de la récente mise à niveau APS, qui fournit des faisceaux de rayons X à haute énergie qui sont jusqu’à 500 fois plus brillants qu’auparavant.
De plus, au Center for Nanoscale Materials, une autre installation d’utilisateurs du Bureau des Doe à Argonne, l’équipe a effectué rapidement – encore une fois, moins d’un trillionème de seconde – des mesures d’absorption optique pour comprendre comment les processus électroniques changent lorsque la symétrie change. Ces installations de pointe d’Argonne et du SLAC ont joué un rôle crucial en aidant les chercheurs à en savoir plus sur le contrôle de la symétrie et les propriétés optiques des points quantiques sur des échelles de temps très rapides.
En utilisant ces techniques, les chercheurs ont observé que lorsque des points quantiques étaient exposés à de courtes rafales de lumière, la symétrie de la structure cristalline est passée d’un état désordonné à un état plus organisé.
« Lorsque les points quantiques absorbent une impulsion légère, les électrons excités font passer le matériau à un arrangement plus symétrique, où les atomes de plomb remontent à une position centrée », a déclaré Burak Guzelturk, un physicien de l’APS.
Le retour de la symétrie a directement affecté les propriétés électroniques des points quantiques. L’équipe a remarqué une diminution de l’énergie de la bande interdite, qui est la différence d’énergie dont les électrons ont besoin pour passer d’un état à un autre dans un matériau semi-conducteur. Ce changement peut influencer la façon dont les cristaux conduisent l’électricité et réagissent aux forces externes, telles que les champs électriques.
En outre, les chercheurs ont également étudié comment la taille des points quantiques et leur chimie de surface influencent les changements temporaires de la symétrie. En ajustant ces facteurs, ils pourraient contrôler les changements de symétrie et affiner les propriétés optiques et électroniques des points quantiques.
« Nous supposons souvent que la structure cristalline ne change pas vraiment, mais ces nouvelles expériences montrent que la structure n’est pas toujours statique lorsque la lumière est absorbée », a déclaré Schaller.
Les résultats de cette étude sont importants pour les nanosciences et la technologie. Être capable de changer la symétrie des points quantiques en utilisant de simples impulsions de lumière permet aux scientifiques de créer des matériaux avec des propriétés et des fonctions spécifiques. Tout comme les briques LEGO peuvent être transformées en structures sans fin, les chercheurs apprennent à « construire » des points quantiques avec les propriétés qu’ils souhaitent, ouvrant la voie à de nouvelles progrès technologiques.
Les résultats de cette recherche ont été publiés dans Matériaux avancés.
Plus d’informations:
Burak Guzelturk et al, Contrôle de la symétrie ultra-rapide dans les points quantiques photoexcités, Matériaux avancés (2024). Doi: 10.1002 / ADMA.202414196