Les scientifiques des matériaux pourraient bientôt être en mesure de contrôler les propriétés des matériaux avec la lumière.
Une équipe composée de chercheurs de l’Université de Kyoto et de l’Institut de technologie de Kurume a découvert une loi d’échelle qui détermine la génération d’harmoniques d’ordre élevé dans le matériau pérovskite en couches solides, Ca2RuO4.
La génération d’harmoniques d’ordre élevé est un phénomène optique non linéaire dans lequel des photons ultraviolets extrêmes sont émis par un matériau à la suite d’interactions avec une lumière de haute intensité.
« Le phénomène, qui a été observé pour la première fois dans les systèmes de gaz atomiques, a depuis ouvert la voie à la science attoseconde », explique l’auteur de l’étude Kento Uchida. « Mais c’est légèrement plus imprévisible dans certains solides fortement corrélés, comme Ca2RuO4. »
En raison de la forte interaction entre les électrons dans ces solides, les caractéristiques de la génération d’harmoniques d’ordre élevé ne peuvent être établies qu’en comprenant comment ces électrons se déplacent en présence de lumière.
Pour répondre à cette question, qui n’a jamais été confirmée expérimentalement, l’équipe s’est attachée à observer la relation entre la température et l’émission de photons dans Ca2RuO4. Ils ont utilisé une impulsion dans l’infrarouge moyen pour mesurer et cartographier l’intensité de génération d’harmoniques élevées à des températures allant de 50 kelvins extrêmement bas à 290 kelvins modérés.
À l’extrémité inférieure, l’équipe a enregistré une génération d’harmoniques d’ordre élevé plusieurs centaines de fois plus intense qu’à température ambiante. Les émissions de photons ont continué à s’intensifier avec l’augmentation de l’énergie de l’écart – l’énergie nécessaire aux électrons pour conduire l’électricité – ainsi que la baisse de température.
L’équipe a découvert que de telles émissions se produisaient dans la phase d’isolation Mott du matériau, où la forte répulsion entre les électrons et l’énergie d’écart élevée transforment le métal d’un conducteur électrique en un isolant.
« Nous avons découvert que les harmoniques d’ordre élevé dans les matériaux fortement corrélés dépendent fortement de l’énergie d’écart des matériaux », explique Uchida.
Cette loi d’échelle peut orienter les études théoriques vers des descriptions plus fines de la dynamique des électrons hors équilibre dans les matériaux fortement corrélés : une question centrale en physique de la matière condensée.
Uchida conclut que leurs « découvertes fournissent également une base pour la conception de matériaux afin de réaliser des dispositifs optiques non linéaires plus efficaces ».
La recherche a été publiée dans Lettres d’examen physique.
K. Uchida et al, Génération d’harmoniques d’ordre élevé et sa loi d’échelle non conventionnelle dans le Ca2RuO4 Mott-isolant, Lettres d’examen physique (2022). DOI : 10.1103/PhysRevLett.128.127401