Comprendre l'interaction entre la lumière et la matière afin de contrôler ses propriétés et les transitions de phase brisant la symétrie

Au cours des prochaines années, l’innovation en science et en ingénierie des matériaux dépendra de notre capacité à comprendre et contrôler les relations entre la structure des matériaux et leurs propriétés. Bien que plusieurs approches permettent d’étudier les propriétés à l’équilibre, seulement quelques unes ont la capacité d’étudier celles-ci hors équilibre en raison de leur nature transitoire. Cet objectif a d’ailleurs été reconnu comme l’un des Grands Défis de la science fondamental dans un récent rapport du Département de l’Énergie des États-Unis. Le projet proposé a pour objectif d’adresser ce défi en explorant et contrôlant les états hors équilibres de matériaux forts prometteurs technologiquement. Celui-ci a le potentiel de mener à la découverte de propriétés exotiques, à la combinaison de propriétés, ou à des phases ordonnées qui n’existent pas présentes à l’équilibre. Ce travail élargira le spectre de méthodes possibles pour la découverte de nouveaux matériaux et ce audelà des approches traditionnelles qui consistent à la synthèse de ceux-ci et à leur caractérisation à l’équilibre, afin d’aller dans la direction où les propriétés sont sélectionnées sur demande. Dans ce paradigme, une perturbation externe ? dans notre cas la lumière ? est utilisée pour amener le matériau vers un état transitoire, métastable ou transitoire, qui a les propriétés et le comportement désirés. Afin de réaliser ce travail, il est nécessaire d’avoir accès à des méthodes de caractérisation avancée, capable de suivre les changements structuraux et électroniques qui se déroulent sur une échelletemporelle femtoseconde (10^-15s) suivant l’excitation optique. Ainsi, les recherches proposées se basent sur des travaux antérieurs de grand impact des deux professeurs impliqués et sur deux approches complémentaires; la diffraction d’électron ultra-rapide et la spectroscopie de génération d’ harmoniques. Ensemble, ces deux méthodes complémentaires pourront fournir les informations essentielles sur l’évolution de la structure électronique, du réseau (phonon) et la nature d’excitations vibrationnelles durant la dynamique hors-équilibre des matériaux afin de fournir une vision complète de la relation entre la structure et les propriétés de ceux-ci loin de l’équilibre. Nous sommes convaincus que les résultats obtenus apporteront des connaissances fondamentales qui auront un impact significatif sur le grand défi mentionné ci-dessus, et par extension sur la découverte de nouveaux matériaux et de technologies pour les industries de la photonique et de l’optoélectronique.