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Jun 11, 2023

Des scientifiques sondent des matériaux quantiques à des niveaux profonds

La spectroscopie d'émission térahertz est devenue une technique précieuse pour

La spectroscopie d'émission térahertz est devenue une technique précieuse pour étudier les propriétés physiques statiques ainsi que la dynamique ultrarapide se produisant dans de nouveaux systèmes de matériaux, qui peuvent rester cachées à d'autres sondes. Dans un nouvel article de la revue Light: Science & Applications, une équipe de scientifiques du Laboratoire national de Los Alamos dirigée par Hou-Tong Chen du Centre pour les nanotechnologies intégrées du laboratoire passe en revue une sélection d'études récentes qui ont utilisé la spectroscopie d'émission térahertz pour découvrir les bases propriétés et comportements dynamiques complexes des matériaux émergents. Il s'agit notamment de matériaux quantiques tels que les supraconducteurs et les aimants, ainsi que de matériaux de faible dimension, tels que le graphène et les nanostructures métalliques.

"Bien qu'il existe une variété de spectroscopies optiques non linéaires, l'émission térahertz vous permet de sonder les propriétés et la dynamique des matériaux qui peuvent rester cachées à d'autres techniques", a déclaré Jacob Pettine, scientifique des matériaux à Los Alamos et co-auteur de l'article. "Cette méthode est donc devenue très importante pour interroger de nouveaux matériaux."

Le concept central de la spectroscopie d'émission térahertz est la rectification ou la conversion des champs optiques à haute fréquence en courants à basse fréquence, similaire à la rectification nécessaire pour convertir les courants alternatifs du mur en courants continus qui peuvent alimenter des appareils ménagers ou charger des batteries. . Sous-jacent à tout processus de rectification se trouve une symétrie brisée - souvent une symétrie spatiale miroir / inversion, bien que la rupture de la symétrie par inversion du temps devienne essentielle dans les systèmes magnétiques.

"Au niveau le plus élémentaire, l'émission de rayonnement térahertz nécessite une sorte de directionnalité dans votre matériau, dans l'espace et/ou dans le temps", a noté le co-auteur principal Nicholas Sirica, également de Los Alamos. "Donc, si vous obtenez une lumière térahertz, cela vous dit immédiatement quelque chose sur la symétrie du système."

Le co-auteur principal Prashant Padmanabhan a ajouté : "Vous pouvez ensuite obtenir des informations détaillées sur la structure des matériaux, les propriétés électroniques et magnétiques et les interactions lumière-matière en mesurant le champ térahertz émis en réponse à différentes polarisations, fréquences ou amplitudes de la lumière incidente."

Un thème complémentaire exploré dans l'examen est l'interaction entre la structuration intrinsèque (c'est-à-dire le réseau atomique) et extrinsèque (artificielle/à l'échelle nanométrique), où la structuration artificielle peut introduire de nouvelles symétries et améliorer les réponses de courant térahertz qui pourraient autrement être faibles ou interdites dans le matériau intrinsèque/en vrac. Jusqu'à présent, l'accent a principalement été mis sur l'exploration des propriétés globales complexes des matériaux quantiques émergents ou des comportements complexes qui peuvent se produire dans des formes de faible dimension/nanostructurées de métaux, semi-métaux ou semi-conducteurs relativement simples. L'un des efforts de cette revue est de mettre en évidence les opportunités à l'intersection de ces idées.

"Dans cet article de synthèse, nous visons à fournir un aperçu des systèmes essentiels et des mécanismes de base explorés jusqu'à présent via l'émission térahertz", a noté Chen. "Nous essayons également de mettre en évidence les opportunités de conception de telles symétries d'interaction matériau et lumière-matière dans des systèmes artificiellement structurés."

L'interaction entre la structuration matérielle intrinsèque, extrinsèque et hybride peut stimuler la découverte de propriétés et de phénomènes exotiques au-delà des paradigmes matériels existants, note l'article.

Financement: Programme de recherche et développement dirigé par le laboratoire du Laboratoire national de Los Alamos. Ce travail a été effectué, en partie, au Center for Integrated Nanotechnologies, une installation d'utilisateurs du Bureau des sciences exploitée pour le Bureau des sciences du Département américain de l'énergie.

Papier: Émission térahertz ultrarapide des matériaux émergents à symétrie brisée, lumière : science et application. Jacob Pettine, Prashant Padmanabhan, Nicholas Sirica, Rohit P. Prasankumar, Antoinette J. Taylor et Hou-Tong Chen