Les lasers attoseconde explorent les cristaux de silicium
Dans les matériaux semi-conducteurs comme le silicium, les électrons sont normalement localisés autour des atomes formant le cristal. Ces particules ne peuvent pas bouger et contribuent donc au courant produit lorsqu'une tension est appliquée. Toutefois, lorsque ces matériaux sont exposés à la lumière, certains des électrons absorbent suffisamment d'énergie pour passer dans l'obstacle qui les lient aux atomes et commencer à se déplacer dans le matériau. Les électrons mobiles rendent le matériau semi-conducteur conducteur, permettant aux ingénieurs de réaliser des commutateurs de silicium appelés transistors – les éléments de base de tous les appareils numériques. Dans le cadre du projet financé par l'UE ATTOTRON (Attosecond electron processes in solids), les scientifiques ont utilisé des impulsions d'attoseconde de lumière douce à rayon X pour suivre la transition des électrons. Spécifiquement, les scientifiques ont d'abord exposé les cristaux de silicium à des flashs ultra-courts de lumière visible émis par une source laser. Ensuite, les échantillons ont été éclairés avec des impulsions de lumière aux rayons X d'une durée de seulement quelques attosecondes. Cette méthodologie a permis aux scientifiques de prendre des 'instantanés' de l'évolution temporelle du processus d'excitation déclenché par la lumière laser. Dans l'analyse des données, l'équipe d'ATTOTRON a découvert des preuves que la transition des électrons fait rebondir les atomes. Ils ont montré qu'au départ, seuls les électrons réagissaient alors que la structure atomique restait intacte. Lorsque les impulsions laser avaient quitté les échantillons, la structure se réorganisait en réponse au mouvement collectif des électrons, transformant une partie de l'énergie absorbée en chaleur transportée par des ondes appelées phonons. La résolution temporelle de lasers attoseconde a permis aux scientifiques de résoudre ces processus électroniques extrêmement brefs qui semblaient trop rapides pour être approchés de manière expérimentale. D'autre part, l'interprétation sans équivoque des données expérimentales a été facilitée par des simulations de dynamique quantique. L'effort de modélisation couvrait l'excitation des électrons et l'interaction des impulsions de rayons X avec le cristal de silicium. Les résultats du projet ATTOTRON relatifs à la dynamique des électrons ultra-rapides dans le silicium ont été publiés dans les magazines réputés de Nature et Science.
Mots‑clés
Lasers attoseconde, cristal de silicium, dynamique d'électrons, lumière rayons X, phonons
