Africa-Press – Burkina Faso. L’or est connu pour son éclat jaune brillant et est donc utilisé en joaillerie. C’est également un très bon conducteur utilisé en électronique de pointe. Ce métal présente un phénomène intrigant: des chercheurs ont montré, par l’expérience, qu’il se durcit lorsqu’il est excité par des faisceaux lasers. Cette découverte a fait l’objet d’une étude parue dans la revue Science Advances.
De la simulation à l’expérience
Les photons interagissent principalement avec les électrons, ne perturbant que très peu le réseau cristallin de manière directe. De l’interaction avec les électrons, des phénomènes exotiques peuvent avoir lieu, comme pour le silicium qui in fine perd sa structure cristalline pour un état désordonné. Mais pour l’or, c’est un durcissement qui se produit.
L’impact de l’irradiation par des lasers a longtemps été cantonné aux simulations. Ces dernières indiquent que pour des métaux tels que l’or, mais pas seulement, le faisceau laser va chauffer quelques électrons, les faisant passer au-dessus du niveau de Fermi. Le niveau de Fermi est le niveau de plus haute énergie que peut atteindre un électron dans un cristal dans son excitation la plus basse (c’est-à-dire au zéro degré absolu).
Le passage des électrons au-dessus du niveau de Fermi a pour effet d’amplifier le potentiel interatomique (l’énergie d’interaction liant les atomes d’or dans le cristal) rendant les liaisons plus “solides”: les phonons (l’excitation collective du cristal, c’est l’équivalent du photon pour les ondes sonores dans un cristal) voient leur fréquence modifiée, influençant de fait le comportement du métal, la température de fusion et la dureté.
Grâce au développement, durant les dernières décennies, des lasers à impulsions courtes et des méthodes de diffraction à rayons X (permettant par interaction avec les électrons du cristal de retrouver la géométrie de l’agencement d’atomes) à grande vitesse (pour perturber le moins possible le cristal), il est désormais possible de confronter les simulations avec des résultats expérimentaux.
Sonder l’or excité
Les auteurs de l’étude parue dans la revue Science Advances ont donc cherché à vérifier ces résultats par l’expérience. Ils ont ainsi illuminé une feuille d’or de 59 nanomètres (nm) d’épaisseur (1000 fois plus fine qu’un cheveu) avec des impulsions lasers d’une longueur d’onde de 400 nm de 50 femtosecondes (abrégées “fs” et correspondant à 10-15 secondes).
Chaque impulsion laser fournit une énergie de 222 microjoules (μJ). L’échantillon est ainsi monté à une énergie de 6,4 MJ/kg: dans cet état excité, les chercheurs effectuent des analyses à l’aide de rayons X. La diffraction à rayons X permettant de sonder la géométrie d’un cristal.
Ce qui intéresse les chercheurs ici, c’est de voir l’évolution de l’intensité des pics de diffraction (correspondant à la position des atomes dans le cristal) après l’exposition à l’impulsion laser de haute énergie pour en déduire la température de Debye. Cette température caractéristique a un lien direct avec la dureté d’un cristal: plus elle est élevée, plus le cristal est dur.
Un durcissement grâce au laser
Parmi les pics observés, les chercheurs ont dû séparer ceux de l’or, qui les intéressent, de ceux du nickel. En effet, la feuille d’or se trouvant sur un support en nickel, le profil de diffraction montrera toujours des pics liés au nickel, même si l’échantillon est parfaitement pur.
Pour vérifier leurs données, les chercheurs ont mesuré le paramètre cristallin (à peu de chose près la distance entre les noyaux d’or) et ont obtenu une valeur de 4,071 ångströms (1 Å = 0,1 nm), ce qui correspond à la valeur théorique.
Une fois certains des pics à analyser, les chercheurs ont déterminé la température de Debye de l’or excité. Cette température est de 265 K (supérieure à celle du platine ou de l’argent) lorsque l’or est excité, contre 170 K dans son état standard. Le durcissement a donc bien lieu grâce à l’excitation apportée par le laser.
Ce phénomène est théoriquement observable dans d’autres métaux comme l’aluminium, le cuivre ou le platine. “Nous prévoyons également d’autres expériences et espérons explorer ces phénomènes à travers une plus large gamme de matériaux. C’est une période passionnante pour notre domaine, et nous avons hâte de voir où ces découvertes nous mèneront”, conclut dans un communiqué Adrien Descamps, chercheur rattaché à l’université de Stanford et de Belfast et auteur principal de l’étude.
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