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Comprendre et manipuler les phénomènes quantiques collectifs

Dans les matériaux présentant des corrélations électroniques, les électrons ont tendance à s'organiser collectivement à basse température, donnant lieu à l’apparition d’ordres quantiques exotiques aux propriétés remarquables comme la supraconductivité à haute température critique et le magnétisme par exemple. La compréhension de l’origine et de la nature de ces ordres quantiques, notamment lorsqu’ils coexistent ensemble et s’intriquent les uns aux autres, constitue aujourd’hui l’un des enjeux majeurs de la physique de la matière condensée. Au TeraX-lab, on tente non seulement de comprendre la nature de ces phénomènes quantiques collectifs mais aussi de les manipuler de manière cohérente grâce à la lumière (c’est-à-dire sans détruire ces ordres fragiles).

Diagramme de phase de différents matériaux corrélés montrant la coexistence de nombreuses phases électroniques (SC : supraconductivité, CDW/SDW : onde de densité de Charge/Spin)

L’étude des phénomènes collectifs dans les matériaux quantiques permet d’explorer des questions fondamentales en physique de la matière condensée (phénomènes quantiques collectifs hors équilibre, transitions de phase induites par la lumière, effets coopératifs dans les systèmes quantiques etc.) et pourrait potentiellement déboucher sur des applications technologiques dans le futur (mémoires magnétiques ultra-rapides, nouveaux composants électroniques aux fonctionnalités multiples et aux propriétés « sur mesure » etc.).

Les phénomènes quantiques collectifs mis en lumière (Terahertz !)

De façon à sonder et manipuler ces ordres quantiques, on utilise de la lumière, principalement dans la gamme de fréquences dite Térahertz (1THz=10¹² Hz) car celle-ci est résonante avec leurs modes collectifs (voir ci-dessous).

Par ailleurs, nous explorons aussi une large gamme du spectre électromagnétique suivant le type d’excitation et de perturbation que l’on souhaite réaliser : depuis les excitations de basse énergie des modes collectives des ordres quantiques (Terahertz), les phonons du réseau cristallin (moyen infrarouge), jusqu’aux excitations électroniques de haute énergie dans la gamme visible (ex : transfert de charge). Cette approche nous donne accès à l’ensemble des excitations pertinentes susceptibles de pouvoir manipuler les propriétés électroniques de ces matériaux grâce à la lumière.

Un large spectre d’excitations/perturbations est possible suivant l’énergie des photons utilisée, depuis la gamme Terahertz jusqu’au domaine visible.

Par exemple, une illustration intéressante de manipulation cohérente de mode collectifs THz correspond à celle des ondes plasma Josephson dans les cuprates supraconducteurs à haute température critique (Y. Laplace & A. Cavalleri, Advances in Physics X Vol. 1 , Iss. 3 (2016);  S. Rajasekaran & al. Nature Physics, 12, 1012–1016 (2016)). Ces modes correspondent à des ondes plasma collectives de paires de Cooper entre les plans CuO₂ des cuprates supraconducteurs et présentent un caractère hautement non-linéaire aux fréquences THz. Dans ce contexte, il a été possible de manipuler de manière cohérente ces excitations collectives et de les utiliser afin de réaliser de l’amplification paramétrique de lumière Terahertz : ceci correspond à un phénomène tout à fait nouveau et potentiellement intéressant pour le développement technologique de cette gamme de fréquences. En effet, la technologie aux fréquences THz reste encore peu développée bien qu’elle fasse l’objet d’un intérêt croissant de la part de la communauté scientifique car pouvant potentiellement apporter des réponses à certains des défis sociétaux d’aujourd’hui.

Vue d’artiste d’une onde plasma Josephson se propageant entre les plans CuO₂ dans les cuprates supraconducteurs à haute température critique (J. Harms, MPSD Hamburg)

TeraX-lab

Dans notre laboratoire, on génère des impulsions de lumière THz grâce à des techniques d’optique nonlinéaire (rectification électro-optique, génération par différence de fréquences). La technique expérimentale employée est dite pompe-sonde et consiste en l’excitation du matériau par une première impulsion intense (impulsion pompe) dont la dynamique est mesurée grâce à une seconde impulsion (sonde) décalée temporellement, ce qui permet de prendre des « photographies » instantanées de l’état du système au cours du temps.

Romain and Jingwei qui travaillent sur le montage THz

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