Des physiciens de l’Université de Fribourg créent un nouvel état de la matière grâce à des impulsions lumineuses

Des physiciens de l’Université de Fribourg, en collaboration avec une équipe internationale, ont créé pour la première fois un nouvel état de la matière éphémère, en utilisant des impulsions lumineuses ultrarapides pour conférer brièvement des propriétés topologiques à un semi-conducteur. Le résultat, publié dans la revue Nature Physics, confirme une prédiction théorique formulée il y a plus de dix ans.

En appliquant des impulsions lumineuses de quelques femtosecondes seulement, soit un millionième de milliardième de seconde, les chercheurs ont modifié le comportement des électrons dans un cristal de tellurure d’étain, un semi-conducteur connu pour ses propriétés particulières. Grâce à une technique de spectroscopie de pointe qui capte le mouvement des électrons à leur propre échelle de temps, ils ont observé la structure électronique du matériau se transformer sous l’effet du laser, formant des états hybrides lumière-matière dits de Floquet-Bloch.

Le résultat le plus spectaculaire, selon le professeur de physique Claude Monney, a été l’apparition d’un cône de Dirac, signature quantique d’une phase topologique qui permet aux électrons de circuler presque sans obstacle dans un matériau qui, à l’origine, ne le permet pas. Cet état n’existe que le temps de l’impulsion lumineuse, environ 100 femtosecondes, avant de disparaître.

La théorie selon laquelle la lumière pouvait momentanément doter un matériau de propriétés topologiques avait été démontrée sur le papier en 2011, mais n’avait jamais été prouvée expérimentalement jusqu’ici. Au-delà de sa portée fondamentale, ces travaux ouvrent la voie au contrôle des propriétés des semi-conducteurs à la demande grâce à la lumière, avec des applications potentielles dans des composants électroniques ultrarapides pilotés par laser, tels que des transistors de nouvelle génération, et dans l’informatique quantique.