Quand la diffraction X aux temps ultracourts révèle qu'une transition vers une phase métallique est pilotée par une onde élastique

L’absorption de photons sous l’impact d’une impulsion laser intense et ultracourte permet d’exciter les électrons d'un solide de façon simultanée et cohérente. La modification de la répartition des électrons entraine une modification des positions des atomes dont les réarrangements entre proches voisins sont beaucoup étudiés. Ces réarrangements peuvent ensuite donner naissance à une autre structure cristallographique. C'est le cas par exemple pour l’oxyde de titane (Ti₃O₅) nanocristallin qui passe d'un état semiconducteur à un état métallique s'il est chauffé à une température de 460 K mais aussi sous l'effet d'une impulsion laser visible.

En utilisant la diffraction des rayons-X avec la source pulsée du laser femtoseconde du laser à électrons libres SwissFEL, une étude conduite par des chercheuses et chercheurs de l'Institut de physique de Rennes (IPR, CNRS/Univ. Rennes)[1], dans le cadre du laboratoire de recherche international franco-japonais LIA IM-LED[2], a révélé la dynamique de cette transformation à l'échelle de quelques picosecondes. Grâce à une analyse quantitative des images de diffraction X, ils montrent que, juste après l'excitation laser, les modifications des positions atomiques conduisent à une dilatation, la structure atomique métallique remplaçant celle semiconductrice, et que cette dilatation se propage dans les nanocristallites à la vitesse du son sous la forme d'une onde de déformation élastique partant de la surface excitée de l’échantillon, et sur des temps de quelques picosecondes. Ils mettent ainsi en évidence pour la première fois un mécanisme de changement de phase cohérent, plus rapide de plusieurs ordres de grandeur que les mécanismes de dissipation thermique. Par ailleurs, la transition entre ces phases semiconductrice et métallique due aux mécanismes thermiques et intervenant sur des temps plus longs a été identifiée par diffraction X avec la source pulsée picoseconde du synchrotron ESRF.

Cette étude pionnière de diffraction X sur un laser à électrons libres se prolongera avec des recherches sur le contrôle de l'onde élastique de changement de phase, en jouant notamment sur la nature de l'excitation électronique par l'impulsion laser et sur la morphologie de l'échantillon. Ces travaux sont publiés dans la revue Nature Communications.