Champ optique ultrarapide incident sur un matériau à symétrie spatiale brisée (bleu), à symétrie temporelle inversée (jaune), ou les deux (vert) pour générer un rayonnement THz. Les encarts illustrent divers mécanismes qui conduisent à des courants THz redressés par des champs optiques à haute fréquence. Crédit : Hou-Tong Chen/Los Alamos National Laboratory
Une équipe de scientifiques a publié un article sur l’utilisation de la spectroscopie d’émission térahertz (THz) pour révéler les propriétés des matériaux émergents, tels que les matériaux quantiques et les matériaux de faible dimension comme le graphène. Ils passent en revue les études sur l’interaction entre la structuration intrinsèque et extrinsèque et prévoient des possibilités de concevoir de nouvelles symétries d’interaction des matériaux, ce qui pourrait permettre de découvrir de nouvelles propriétés des matériaux.
Dans un nouvel article publié dans la revue Light : Science & ; Applications le 1er juin, une équipe de scientifiques, dirigée par Hou-Tong Chen du Center for Integrated Nanotechnologies au Los Alamos National Laboratory, passe en revue une sélection d’études récentes qui ont utilisé la spectroscopie d’émission térahertz (THz) pour découvrir les propriétés de base et les comportements dynamiques complexes de matériaux émergents. Il s’agit notamment de matériaux quantiques tels que les supraconducteurs et les aimants, ainsi que de matériaux de faible dimension tels que le graphène et les nanostructures métalliques.
« Bien qu’il existe une variété de spectroscopies optiques non linéaires, l’émission térahertz permet de sonder les propriétés et la dynamique des matériaux qui peuvent rester cachées à d’autres techniques », a déclaré l’un des co-auteurs principaux de l’article, Jacob Pettine. « Cette méthode est donc devenue très importante pour l’étude de nouveaux matériaux ».
Le concept central de la spectroscopie d’émission THz est la rectification des champs optiques à haute fréquence en champs à basse fréquence, semblable à la rectification nécessaire pour convertir les courants alternatifs (CA) provenant du mur en courants directionnels (CC) qui peuvent alimenter des appareils ou charger des batteries. Tout processus de rectification repose sur une brisure de symétrie – souvent une symétrie spatiale de miroir ou d’inversion, bien que la brisure de symétrie de renversement du temps devienne essentielle dans les systèmes magnétiques.
« Au niveau le plus élémentaire, l’émission de rayonnements térahertz nécessite une certaine directionnalité dans votre matériau, dans l’espace et/ou dans le temps », note Nicholas Sirica, co-auteur principal de l’étude. « Donc, si vous obtenez une quelconque lumière térahertz, cela vous indique immédiatement quelque chose sur la symétrie du système ».
Prashant Padmanabhan, co-auteur principal, ajoute : « Vous pouvez ensuite obtenir des informations détaillées sur la structure des matériaux, les propriétés électroniques et magnétiques et les interactions lumière-matière en mesurant le champ THz émis en réponse à différentes polarisations, fréquences ou amplitudes de la lumière incidente. »
Un thème complémentaire exploré dans la revue est l’interaction entre la structuration intrinsèque (c’est-à-dire le réseau atomique) et extrinsèque (artificielle/nano-échelle), où la structuration artificielle peut introduire de nouvelles symétries et améliorer les réponses du courant THz qui pourraient être faibles ou interdites dans le matériau intrinsèque/en vrac. Jusqu’à présent, l’accent a été mis sur l’exploration (i) des propriétés complexes des matériaux quantiques émergents ou (ii) des comportements complexes qui peuvent se produire dans des formes nanostructurées de métaux, de semi-métaux ou de semi-conducteurs relativement simples. L’un des objectifs de cette revue est de mettre en évidence les opportunités à l’intersection de ces idées.
« Dans cet article de synthèse, nous visons à fournir une vue d’ensemble des systèmes essentiels et des mécanismes de base explorés jusqu’à présent par le biais de l’émission THz », a noté Chen. « Nous essayons également de mettre en évidence les possibilités de concevoir de telles symétries d’interaction entre les matériaux et la lumière et la matière dans des systèmes artificiellement structurés, tels que les métasurfaces plasmoniques. »
L’interaction entre la structuration intrinsèque, extrinsèque et hybride des matériaux peut stimuler la découverte de propriétés et de phénomènes exotiques au-delà des paradigmes matériels existants, note l’article.
Référence : « Ultrafast terahertz emission from emerging symmetry-broken materials » par Jacob Pettine, Prashant Padmanabhan, Nicholas Sirica, Rohit P. Prasankumar, Antoinette J. Taylor et Hou-Tong Chen, 1 juin 2023, Light : Science & ; Applications.
DOI: 10.1038/s41377-023-01163-w