Quand la lumière réinvente les états de la matière

Les propriétés d’un matériau sont généralement étudiées à l’équilibre, c’est-à-dire lorsqu’il n’est soumis à aucune perturbation extérieure. Pourtant, lorsqu’un solide est éclairé par une impulsion laser intense et ultrabrève, ses électrons peuvent adopter des comportements radicalement différents. Comprendre et maîtriser ces états transitoires constitue aujourd’hui l’un des grands défis de la physique de la matière condensée.

Dans ce travail, nous démontrons expérimentalement la création d’un nouvel état électronique hors équilibre dans un cristal bidimensionnel de diséléniure de tungstène (WSe₂). Sous l’action d’un champ lumineux oscillant de manière périodique, les électrons se couplent de façon cohérente aux photons du laser et forment ce que les physiciens appellent des états de Floquet-Bloch. Ces états ne correspondent pas à une simple excitation du matériau : ils possèdent une structure électronique nouvelle, qui n’existe que pendant l’interaction avec la lumière.

Notre étude révèle que ces états peuvent être créés sélectivement dans certaines régions particulières de l’espace des impulsions, appelées « vallées ». Dans les matériaux comme le WSe₂, ces vallées constituent un degré de liberté quantique fondamental des électrons, au même titre que leur charge ou leur spin. En utilisant des impulsions lumineuses circulairement polarisées, nous montrons qu’il est possible de générer des populations d’états de Floquet-Bloch différentes dans les deux vallées du matériau. Nous introduisons ainsi le concept de « Floquet-Bloch valleytronics », qui relie deux domaines de recherche jusque-là largement distincts : l’ingénierie de Floquet et la physique des vallées.

Ces résultats ont été obtenus grâce à une combinaison de spectroscopie de photoémission résolue en angle et en temps, utilisant des impulsions dans la gamme spectrale de l’ultraviolet extrême et des calculs théoriques de pointe. Ils mettent en évidence comment la symétrie, la géométrie quantique des états électroniques et l’interaction lumière-matière se combinent pour produire des phases électroniques inédites. Au-delà du système étudié, ce travail ouvre une nouvelle voie vers la création contrôlée d’états quantiques de la matière qui n’existent pas naturellement, mais émergent uniquement sous l’action de champs lumineux soigneusement façonnés.