Photocommutation ultra-rapide et persistante à température ambiante stabilisée par changements de volume et de symétrie

La cristallographie ultra-rapide révèle les mécanismes microscopiques d'une transformation photoinduite et persistante

Figure : Changement de symétrie lors d'une transition de phase photoinduite sondée par diffraction ultra-rapide des rayons X. Quand le laser transforme le cristal (gauche), le changement de symétrie et de volume se caractérise par le changement du signal de diffraction (droite) qui a lieu en 100 picosecondes © M. Hervé & E. Collet.

Par diffraction de rayons X résolue en temps, des chercheuses et chercheurs observent le mécanisme de photocommutation ultrarapide d'un matériau vers un état persistant à température ambiante, une propriété intéressante pour diverses applications dans le stockage d'énergie ou d'information.

La capacité à contrôler les propriétés physiques des matériaux à la demande est un défi important pour la science et les technologies. À cet égard, l'utilisation de la lumière comme stimulus externe, dans la gamme des UV à THz, est une voie très prometteuse si l’on souhaite obtenir un contrôle sans contact, ultrarapide et sélectif. Les impulsions laser ultracourtes permettent en effet d’envisager le déclenchement de changements extrêmement rapides et coopératifs dans les propriétés physiques des matériaux. Pour diverses applications comme des dispositifs à commande optique, la fabrication de mémoires ou d’actionneurs, la photo-réponse doit obéir à un cahier des charges exigeant combinant simultanément des caractéristiques importantes telles que la commutation à température ambiante, un large régime thermique de bistabilité, l’existence d'états photoinduits pouvant persister longtemps après l’application de stimuli, ou encore la possibilité de commuter de façon ultrarapide avec un seul flash laser.

Parmi les matériaux moléculaires, les assemblages bimétalliques à pont cyanure sont des composés très attrayants présentant un transfert de charge intermétallique, qui offrent des propriétés multifonctionnelles pouvant être contrôlées de manière réversible par la lumière, comme le magnétisme, la conduction ionique ou encore les propriétés optiques telles que la rotation de la polarisation de la lumière. Une collaboration internationale de l'IRL Dynacom (CNRS / Université de Rennes / Université de Tokyo) impliquant des chercheurs de l'Institut de physique de Rennes (IPR, CNRS / Université de Rennes) et de l’université de Tokyo a mis au point et étudié un matériau de cette famille de composés, développé pour présenter une grande plage de bistabilité à température ambiante : une impulsion laser ultra brève peut commuter le système d'un état stable vers un état photoinduit permanent, via un transfert d'électrons entre atomes constituant le cristal, augmentant le volume de ce dernier et changeant sa symétrie. En utilisant la cristallographie ultra-rapide au centre européen de rayonnement synchrotron (ESRF), les chercheurs ont montré qu’au-delà d’un seuil d’excitation, cette commutation a lieu sur l'échelle de temps extrêmement rapide de 100 picosecondes. Le changement de volume induit par la lumière stabilise alors de façon permanente une phase de plus haute symétrie.

Les techniques développées dans ce travail ouvrent la voie à l'étude de divers phénomènes ultra-rapides persistants à l'aide de techniques pompe-sonde par le suivi des dynamiques électroniques et structurales auquel elles donnent accès. Ces résultats sont publiés dans Nature Communications et sont mis à la une dans les actualités de CNRS Physique et dans Press Release de l'Université de Tokyo.

Référence:

Ultrafast and persistent photoinduced phase transition at room temperature monitored by streaming powder diffraction, Marius Hervé, Gaël Privault, Elzbieta Trzop, Shintaro Akagi, Yves Watier, Serhane Zerdane, Ievgeniia Chaban, Ricardo G. Torres Ramírez, Celine Mariette, Alix Volte, Marco Cammarata, Matteo Levantino, Hiroko Tokoro Shin-ichi Ohkoshi et Eric Collet, Nature Communications, publié le 24 janvier 2024.
Doi :
10.1038/s41467-023-44440-3

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