Des matériaux en 3D pour l'électronique
Les chercheurs du projet OPTCHATRA (Optical charge transfer processes in early stages of photosynthesis from first-principle computational techniques) ont montré comment des impulsions laser de l'ordre de la femtoseconde peuvent induire la bascule entre l'état de semimétal de Dirac et celui d'isolant topologique. Les semimétaux ont récemment soulevé beaucoup d'intérêt. Outre leur importance fondamentale en tant que concrétisation de fermions élémentaires en termes de matière condensée, ils ont aussi des propriétés inhabituelles comme une forte magnétorésistance négative. Les états topologiques de ces matériaux sont sous le contrôle de symétries. Classiquement, les symétries ne peuvent être influencées que lentement, via des contraintes, le dopage, et des champs magnétiques ou électriques. Pour des échelles temporelles ultra courtes, l'ingénierie Floquet permet de briser dynamiquement les symétries. Les chercheurs se sont appuyés sur la théorie de la fonctionnelle de densité dépendant du temps (TDDFT) pour montrer que la brisure de la symétrie d'inversion du temps engendre un semimétal. Cette brisure peut être obtenue en appliquant des impulsions laser de polarisation circulaire et de puissance variable. La TDDFT a un rapport avec les propriétés électroniques et l'analyse dynamique des matériaux. De fait, la méthode appliquée par le projet OPTCHATRA a rendu compte d'effets inaccessibles aux autres modèles théoriques. Par exemple, en cas de pompage en polarisation linéaire, les interactions entre électrons induisent la brisure de symétrie. Pour illustrer la notion de semimétaux contrôlés dynamiquement, les chercheurs sont partis d'une description ab initio de Na3Bi, un semimétal topologique de Dirac. Dans un article publié par Nature Communications, ils ont montré que ces résultats basés sur Na3Bi s'appliquaient à tout semimétal de Dirac. Cette catégorie de matériaux est caractérisée par un état inhabituel de la matière quantique, considéré comme du «graphène en 3D». Ces matériaux devraient avoir des propriétés électroniques étonnantes, et permettre d'étudier systématiquement les transitions entre phases quantiques. Le projet OPTCHATRA a accompli d'importants progrès dans ce nouveau domaine de la science des matériaux.
Mots‑clés
OPTCHATRA, impulsions laser femtosecondes, semimétal de Dirac, isolant topologique, brisure de symétrie
