Une étude récente publiée dans Nature révèle un phénomène remarquable : les atomes contenus dans des matériaux ultra-fins dansent en réponse aux impulsions de lumière, se tordant et se détordant comme des danseurs synchronisés. Cette chorégraphie complexe se déroule à une vitesse fulgurante – à l’échelle d’un billionième de seconde – la rendant invisible à l’œil nu et trop rapide pour être capturée par les instruments scientifiques conventionnels.
Pour dévoiler ce ballet atomique, des chercheurs de l’université Cornell et de l’université Stanford se sont tournés vers la diffraction électronique ultrarapide. Cette technique de pointe utilise des rafales d’électrons incroyablement brèves tirées sur un échantillon immédiatement après qu’une impulsion laser l’a touché. Pensez-y comme à une caméra ultra-rapide figée sur des moments précis de la danse. En analysant la façon dont ces couches atomiques dispersent les électrons, les scientifiques peuvent reconstruire leur mouvement au fil du temps.
Le sujet de cette performance atomique est un type particulier de matériaux appelés matériaux moirés. Ces matériaux sont construits en empilant des feuilles extrêmement fines – de seulement quelques atomes d’épaisseur – les unes sur les autres avec de légers désalignements. Ce décalage apparemment mineur crée des propriétés uniques qui peuvent être ajustées en ajustant davantage l’angle entre les couches.
“Imaginez empiler deux morceaux de papier légèrement tordus”, explique Jared Maxson, professeur de physique à Cornell et co-auteur de l’étude. “La façon dont ils se chevauchent crée des motifs intéressants – des motifs moirés – et ces motifs influencent le comportement du matériau.”
Ces propriétés peuvent être manipulées pour que les matériaux agissent comme des supraconducteurs – permettant à l’électricité de circuler sans résistance – ou pour créer des comportements électroniques inhabituels, ouvrant ainsi la porte à des innovations en électronique quantique et à d’autres technologies de pointe.
Auparavant, les scientifiques pensaient qu’une fois empilés selon un angle fixe, la structure de ces matériaux moirés restait statique. Cependant, cette recherche révolutionnaire montre que les atomes au sein de ces structures en couches sont loin d’être rigides. Au lieu de cela, ils présentent un mouvement dynamique, se tordant brièvement plus étroitement lors de l’exposition à la lumière avant de rebondir, un peu comme un ressort comprimé libérant son énergie.
“Cette découverte remet en question les hypothèses précédentes”, ajoute Fang Liu, chef de projet à Stanford et auteur co-correspondant. “Nous avons vu que les atomes au sein de ces cellules unitaires moirées se comportent presque comme une danse en cercle.”
Le succès de cette expérience reposait à la fois sur le développement de matériaux spécialisés par l’équipe de Liu à Stanford et sur l’instrument de diffraction électronique ultrarapide fabriqué par Cornell, équipé d’un détecteur hautement sensible appelé EMPAD.
L’EMPAD, initialement conçu pour capturer des images fixes, a été réutilisé dans cette étude pour agir comme une caméra incroyablement rapide, capable de capturer ces mouvements atomiques éphémères. “La plupart des détecteurs auraient brouillé le signal”, explique Maxson. “L’EMPAD nous a permis de voir des caractéristiques incroyablement subtiles qui auraient facilement pu être perdues.”
Cet effort de collaboration marque une étape importante dans notre compréhension des matériaux moirés. Il démontre la puissance de la diffraction électronique ultrarapide pour visualiser des phénomènes à l’échelle nanométrique et ouvre des voies passionnantes pour manipuler le comportement quantique en temps réel à l’aide de la lumière. Les expériences futures exploreront la façon dont différents matériaux et angles de torsion réagissent aux impulsions lumineuses, ouvrant la voie à des avancées potentiellement révolutionnaires dans des domaines allant de la supraconductivité à l’informatique quantique.
