Le matériau a des propriétés transformées en utilisant uniquement la lumière

Électronique

Équipe éditoriale du site Innovation technologique - 08/04/2025

C'est une recherche et une technologie de pointe. Mais cela ressemble à de la magie, une sorte d'alchimie avec la lumière. [Image : Gillian Kiliani]

Alchimie avec la lumière

La possibilité d’utiliser la lumière pour induire des comportements inhabituels dans les matériaux solides, en particulier les métaux, n’est une nouveauté pour personne : des capteurs photoélectriques et des cellules solaires aux utilisations les plus avancées des ondes électroniques, connues sous le nom de plasmons de surface , il s’agit d’un mécanisme qui a fait l’objet de nombreuses recherches et utilisations.

Mais imaginez maintenant que vous puissiez utiliser la lumière non seulement pour induire des comportements, mais aussi pour modifier les propriétés d’un matériau de sorte qu’il se transforme presque comme par magie en un matériau aux propriétés différentes.

C'est ce que viennent de démontrer Christoph Schonfeld et ses collègues de l'Université de Constance en Allemagne.

Pour transformer les propriétés d'un matériau, nul besoin de baguette magique ni de potion miracle. Tout le processus se déroule uniquement grâce à la lumière, qui excite les états magnétiques du matériau. La lumière induit des vibrations magnétiques collectives dans le réseau atomique du matériau, permettant, par exemple, la transmission et le stockage d'informations à des fréquences atteignant des térahertz ( ¹⁰¹² Hz).

La formule fonctionne à température ambiante, sans générer de chaleur significative. « Les effets ne sont pas causés par l'excitation laser. La cause est la lumière, et non la température », explique le professeur Davide Bossini, coordinateur de l'équipe. « Nous pouvons modifier les fréquences et les propriétés du matériau de manière non thermique. »

Les avantages sont évidents : cette méthode pourrait être utilisée pour le stockage et la transmission rapides de données à des débits térahertz, sans perte d'efficacité des systèmes due à la production de chaleur. De plus, des matériaux exotiques comme les terres rares ne sont pas nécessaires, car le processus a été observé dans des cristaux naturels, largement disponibles.

Spectre magnétique de l'hématite et concept expérimental. [Image : Christoph Schonfeld et al. - 10.1126/sciadv.adv4207]

Transformation de la matière par la lumière

Nous avons déjà dit qu'il n'y avait pas de magie. Mais il existe une astuce que peu connaissent, et encore moins savent exploiter : les quasiparticules appelées magnons , nom donné au mouvement collectif des ondes de spin . Les particules comme les électrons possèdent un moment magnétique, appelé spin, et il est possible d'utiliser la lumière pour faire varier ces spins, mais aussi les faire onduler de manière coordonnée à la surface d'un matériau. Ce sont les magnons, les résonances magnétiques à la plus haute fréquence d'un matériau.

Le contrôle des caractéristiques du matériau est réalisé par excitation optique directe de paires de magnons - l'excitation optique directe est une manière technique de dire que tout est fait en tirant simplement de la lumière pour dynamiser les quasiparticules.

« Le résultat a été une grande surprise pour nous. Aucune théorie ne l'avait jamais prédit », a déclaré Bossini. Et le procédé est non seulement efficace, mais il produit aussi des effets spectaculaires. En activant des paires de magnons haute fréquence par des impulsions laser, l'équipe a pu modifier les fréquences et les amplitudes d'autres magnons – et donc les propriétés magnétiques du matériau – de manière entièrement optique, c'est-à-dire non thermique.

« Chaque solide possède son propre ensemble de fréquences : transitions électroniques, vibrations du réseau, excitations magnétiques. Chaque matériau résonne à sa manière », explique Bossini. C’est précisément cet ensemble de fréquences qui peut être influencé par le nouveau procédé. « Il modifie la nature du matériau, son “ADN magnétique”, pour ainsi dire, son “empreinte”. Il devient pratiquement un matériau différent, doté de nouvelles propriétés », ajoute le chercheur.

Dispersion de magnons dans l'hématite. [Image : Christoph Schonfeld et al. - 10.1126/sciadv.adv4207]

Magnonique

Une autre surprise est que la démonstration n’a nécessité aucun matériau exotique, mais plutôt des cristaux issus de la modeste hématite , le plus connu des minerais de fer.

Ainsi, après avoir servi d'aiguille de boussole pendant des siècles, l'hématite est en passe de devenir une nouvelle étoile de la recherche quantique. Par exemple, les résultats de l'équipe suggèrent qu'il est possible de produire des condensats de Bose-Einstein de magnons de haute énergie induits par la lumière à température ambiante. Cela ouvrirait la voie à la recherche sur les effets quantiques sans recourir à des températures cryogéniques.

Avant cela, nous pouvons déjà compter sur le calcul magnétique, ou magnonique , car les magnons permettent un transport et un traitement efficaces des données avec une perte d'énergie minimale. Un prototype de processeur magnonique existe déjà, dont la fabrication est désormais beaucoup plus simple.

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