Créer une nouvelle matière grâce à la lumière

En collaboration avec des scientifiques de l’ETH Zurich, de l’Université de Tokyo et du SLAC National Accelerator Laboratory (Etats-Unis), ont mené une expérience sur la matière Pr _0.5Ca _0.5MnO₃ consistant à fournir de l’énergie supplémentaire aux électrons à l’aide d’une impulsion laser très courte. Tandis que les électrons étaient initialement fixés à des atomes spécifiques, ils pouvaient par la suite sauter de l’un à l’autre. La matière est passée de l’état d’isolant à celui de métal. «Nous avons pour ainsi dire créé une nouvelle matière qui n’existe pas dans la nature», explique Urs Staub, physicien au PSI. «Cette matière, en tout cas ce nouvel état, n’existe que pendant un très court laps de temps. Mais celui-ci suffit pour que les propriétés puissent être étudiées.»

Une brève exposition au laser à rayons X

Les chercheurs ont étudié ce nouvel état à l’aide du laser à rayons X Linac Coherent Light Source (LCLS) du SLAC. Celui-ci génère des éclairs de rayons X intenses et brefs, qui permettent de voir les réactions à l’intérieur des échantillons de matière. Lorsque l’état de la matière change rapidement, il est important que les éclairs soient brefs afin que les images ne soient pas «floues». Les chercheurs ont répété l’expérience à plusieurs reprises en faisant varier le laps de temps entre l’impulsion laser et l’impulsion des rayons X. Ils ont ainsi réussi à définir de quelle manière l’état interne de la matière étudiée changeait sur une échelle de temps ultrarapide.

Comprendre les matières

La matière étudiée présente une structure similaire à celles des matières pouvant intervenir pour les appareils électroniques, étant donné qu’elles présentent la colossale magnétorésistance. Cet effet conduit à ce que la résistance électrique de la matière change fortement lorsque la matière se trouve à proximité d’un aimant. Cette propriété peut être utilisée par exemple pour la lecture de données à partir de supports de mémoire magnétiques. «Le résultat nous aide à comprendre sur le principe la manière dont ces matières se comportent», expliquait Paul Beaud, physicien au PSI, qui codirige l’expérience avec M. Staub. Il sera ainsi possible de modifier de manière ciblée les propriétés d’une matière et par là d’en développer de nouvelles.

Préparation pour SwissFEL

Il sera possible à l’avenir de mener au PSI des expériences similaires à celles menées sur le LCLS grâce à la mise en service fin 2016 du laser à rayons X SwissFEL. Pour les chercheurs du PSI, les recherches effectuées aux Etats-Unis offrent la possibilité de collecter des expériences qu’ils pourront ensuite réutiliser dans le cadre de celles menées sur le SwissFEL.