Une découverte publiée dans la prestigieuse revue Nature Physics place le Technion de Haïfa au cœur d'une avancée mondiale : pour la première fois, des chercheurs ont réussi à diriger le mouvement des électrons dans un matériau en l'éclairant avec des impulsions laser ultra-brèves. Le cadre théorique de cette prouesse a été conçu par le Dr Ofer Neufeld, physicien israélien récemment revenu au Technion.
Un chercheur formé en Israël
Ofer Neufeld est un pur produit du Technion : il y a obtenu sa licence, son master et son doctorat. Après un postdoctorat à l'Institut Max-Planck de Hambourg, il a choisi de rentrer en Israël en 2024 pour rejoindre la faculté de chimie Schulich et le Centre quantique Helen Diller, l'un des pôles israéliens de recherche sur les technologies quantiques. C'est lui qui a dirigé la partie théorique des travaux, c'est-à-dire la modélisation qui a permis de prédire et d'interpréter le comportement des électrons. Les expériences ont été réalisées en Allemagne par ses collègues Peter Hommelhoff et Daniel Lesko, des universités d'Erlangen-Nuremberg et de Munich.
Le graphène, une feuille d'un atome d'épaisseur
Le matériau étudié est le graphène : une seule couche d'atomes de carbone disposés comme les alvéoles d'une ruche. C'est le même carbone que celui des mines de crayon, mais réduit à une feuille d'un atome d'épaisseur. À cette échelle, il devient plus résistant que l'acier, presque transparent et excellent conducteur. Or ce sont les déplacements d'électrons qui font fonctionner nos téléphones et nos ordinateurs. Mieux on les maîtrise, plus les appareils sont performants.
La lumière comme interrupteur
Dans l'électronique actuelle, on pilote les électrons avec des tensions électriques. L'équipe a essayé la lumière elle-même : un laser infrarouge émettant des impulsions de quelques femtosecondes, un millionième de milliardième de seconde, dont le champ électrique tourne sur lui-même.
Sous cet éclairage, le graphène change temporairement de nature et entre dans un état appelé "isolant topologique de Floquet". En langage simple : la lumière réorganise les électrons, leur interdit certains niveaux d'énergie et les fait dévier sur le côté, comme sous l'effet d'un aimant, alors qu'il n'y a aucun aimant. Dès que le laser s'éteint, le graphène redevient ordinaire. La lumière agit comme un interrupteur.
Les chercheurs ont ensuite ajouté un second faisceau, synchronisé avec le premier et de fréquence double, pour piloter les électrons à l'intérieur de ce nouvel état. C'est là la vraie nouveauté : cet état était prédit par la théorie depuis une dizaine d'années, mais personne n'y avait encore contrôlé des électrons. L'expérience a aussi montré que le courant produit dépend du sens de rotation de la lumière, et qu'un courant apparaît perpendiculairement au laser sans aucun champ magnétique, un phénomène nommé "effet Hall anomal".
Des applications prometteuses, mais pas pour demain
Pour le Dr Neufeld, la portée de ces travaux dépasse le graphène. Il envisage des composants électroniques plus rapides et plus sobres, ainsi que des systèmes de calcul, de communication et de détection "reposant sur des propriétés pouvant être activées et désactivées grâce à la lumière".
Il faut toutefois rester prudent : il s'agit d'une démonstration en laboratoire, pas d'un processeur. L'efficacité énergétique reste à prouver, une fois comptée l'énergie nécessaire pour produire les impulsions laser. De nombreuses années de recherche seront nécessaires avant toute application industrielle.
Cette publication confirme en tout cas la place du Technion, et du Centre quantique Helen Diller en particulier, parmi les acteurs de premier plan de la recherche quantique mondiale.
Sources : Ynet
