Isolant excitonique : quand les électrons se découplent du réseau cristallin

Dans les semi-métaux ou les semi-conducteurs à petit gap, l’interaction Coulombienne attractive entre les électrons et les trous donnent lieu à la formation d’excitons. Ces excitons peuvent condenser à basse température et former un état isolant original appelé isolant excitonique. Prédit il y a plus de 60 and par Nevil Mott, il a été décrit théoriquement comme un phénomène de condensation similaire à la supraconductivité par Jérôme, Rice et Kohn dans un célèbre article de 1967. Jusqu’à récemment cependant il n’a jamais été observé dans un matériau réel de façon convaincante. Parmi les matériaux les plus prometteurs pour réaliser cet état, Ta2NiSe5 (TNS) est un archétype car il a un gap direct très faible, possiblement nul, et montre une transition de phase thermodynamique vers un état isolant sous 326K. La transition a été associée à l’établissement d’un ordre isolant excitonique du aux corrélations électroniques sur la base des mesures de photo-émission résolue en angle qui montrent une structure de bande inhabituelle.

Cependant l’origine exacte de cette transition n’est pas triviale en raison notamment de l’existence d’une transition structurale simultanée d’une phase orthorhombique à une phase monoclinique. Il a ainsi été montré théoriquement que la distorsion monoclinique induit une hybridation entre la bande de conduction et la bande de valence pouvant expliquée l’ouverture d’un gap isolant. Dans ce scenario les degrés de liberté de réseau jouent un rôle décisif, voire dominant, dans l’établissement de l’état isolant, remettant donc en question le scenario excitonique.

Grâce à l’utilisation d’un nouveau dispositif de spectroscopie Raman résolue en temps à deux couleurs développé au sein de l’équipe SQUAP de MPQ, Katsumi et al. ont réussi à démêler les contributions respectives du réseau et des électrons à la transition semi-métal- isolant de TNS. Pour cela ils ont utilisé des impulsions lumineuses ultra-brèves (400 fs) dans le proche infrarouge pour déstabiliser l’état isolant et découpler les degrés de liberté électroniques et de réseaux à l’état hors-équilibre. L’état transitoire a été sondé en fonction du retard pompe-sonde en analysant la lumière diffusée (Raman) ou émise (luminescence) d’une seconde impulsion plus faible située dans le domaine visible. Les règles de sélection en polarisation des phonons actifs Raman ont permis de monitorer la distorsion de réseau transitoire. Celle-ci est fortement réduite lords des premières picosecondes (ps) avant de retrouver une valeur proche de l’équilibre après 10 ps. Le gap isolant a lui été sondée via le signal de photoluminescence (PL). Étonnamment, le signal de PL reste fortement réduit même après 18 ps indiquant donc un état métastable possédant un gap fortement réduit mais une distorsion électronique intacte. L’équipe SQUAP a pu ainsi conclure que la distorsion structurale joue un rôle marginal dans la formation du gap de la phase isolante, apportant donc un élément clé en faveur du scenario excitonique.

En plus d’apporter une réponse à une question pressante de la physique du matériaux TNS, les résultats obtenus illustrent parfaitement l’intérêt de la lumière ultra-brève pour comprendre les matériaux quantiques dans lesquels les couplages entre différents degrés de liberté mènent à des ordres complexes et entremêlés, souvent difficiles à démêler à l’équilibre thermodynamique. L’équipe SQUAP poursuit actuellement son effort dans cette axe de recherche avec pour but d’exciter plus sélectivement les matériaux en utilisant des impulsions de plus basses énergie, dans les domaine moyen infrarouge et THz afin de modifier l’état fondamental des matériaux quantiques de façon plus contrôlée.