Électrons

Localisation orbitalaire d contre délocalisation sp

Å, as à ps · DFT à température finie, TDDFT

Structure

Réseau amorphe contre cristal haute pression

nm, ps à ns · dynamique moléculaire couplée à l’électromagnétisme

Microstructure

Fusion contre recristallisation, défauts créés et annihilés

10 nm, ns à µs · dynamique moléculaire à deux températures

Surface

Surface lisse contre motifs auto-organisés

10 à 100 nm, ns · hydrodynamique non linéaire, équations d’amplitude

01

Électrons · Å · as à ps

Ordre orbitalaire sous excitation : comment un métal réorganise ses électrons

Avant toute texture, tout motif, toute fonction, il y a cet instant où les électrons d’un métal sont brutalement arrachés à l’équilibre. Combien restent-ils libres ? Quel indice optique la matière offre-t-elle alors à la lumière ? Avec quelle intensité le gaz électronique parle-t-il au réseau, et à partir de quand le cristal cesse-t-il d’exister comme tel ? La théorie de la fonctionnelle de la densité répond à ces questions en fonction d’une seule variable, la température électronique, et fournit ainsi la monnaie commune dont se nourrissent, en aval, l’optique, la physique thermique et la mécanique de toutes les échelles suivantes.

02

Électrons · Å · as à ps

Renormalisation de bande photo-induite dans un diélectrique : du rétrécissement de la bande interdite à la perte de cohésion

Dans un isolant à grand gap, l’excitation ne se contente pas de réchauffer des électrons déjà libres : elle les fait naître. La bande interdite se referme, la charge déserte la liaison silicium-oxygène, et au-delà d’un certain seuil, le réseau perd toute cohésion. Densité de porteurs, capacité calorifique, pression électronique, masse effective, couplage : les cinq grandeurs dont a besoin un modèle à deux températures n’existent tout simplement pas à l’équilibre dans un diélectrique. Il faut les calculer en fonction de l’excitation elle-même, avant même de pouvoir parler de matière chauffée.

03

Structure · nm · ps à ns

Dévitrification : un ordre cristallin qui nuclée au sein d’un solide désordonné

Un verre se définit par l’absence même d’ordre à longue portée, et pourtant, une seule impulsion focalisée suffit à y faire nucléer un cristal. Les nanopores jouent le rôle d’antennes ; leur effondrement engendre, l’espace d’un instant, un état porté à plusieurs dizaines de gigapascals, où la stishovite nuclée assez vite pour devancer la relaxation de la pression. Dans un verre métallique, cette même course entre vitesse de transformation et vitesse de trempe décide si l’état amorphe subsiste ou non : l’ordre et le désordre s’y jouent moins de la thermodynamique que d’une question de tempo.

04

Microstructure · 10 nm · ns à µs

Reconstruire les grains : l’ordre microstructural réorganisé par une trempe ultrarapide

On pense spontanément la fusion comme une forme de dommage. Ici, elle reconstruit : la resolidification ne dégrade pas les grains, elle en réécrit l’architecture, les nouveaux joints devenant des films amorphes de liquide piégé. La dynamique moléculaire à deux températures montre que ce n’est pas la dose qui gouverne le résultat, mais la vitesse de refroidissement : faire glisser la seule durée d’impulsion de part et d’autre du temps électron-phonon multiplie par quatre le nombre de nanograins, à fluence strictement égale : la matière se laisse redessiner par le tempo, non par l’énergie.

05

Surface · 10 à 100 nm · local et non local

Cohérence de l’énergie absorbée : comment une surface rugueuse organise la lumière en motif

Une surface irradiée finit par sculpter son propre motif : les structures périodiques naissent de l’interférence entre la lumière incidente et celle que la surface diffuse déjà elle-même : un dialogue optique où la matière répond à ce qu’elle vient de créer. Distinguer le champ lointain propagatif du champ proche évanescent offre la formulation la plus nette du débat entre local et non local ; elle explique quelle famille de périodes émerge, pourquoi l’espacement dérive avec le nombre d’impulsions, et ce qu’une lumière structurée peut, ou ne peut pas, imposer à la matière.

06

Surface · 10 à 100 nm · ns

Auto-organisation par laser du relief : d’une instabilité hydrodynamique à un motif sélectionné

L’énergie absorbée décide où la matière chauffe, jamais la forme qui va apparaître : ce choix-là se joue ailleurs. Sur une couche fondue de quelques dizaines de nanomètres à peine, soulevée par une seule impulsion laser, une convection thermocapillaire sélectionne d’elle-même une longueur d’onde et une symétrie, que la resolidification n’a plus qu’à figer. Ramené à un film mince, cet écoulement obéit à l’équation de Swift-Hohenberg, le modèle générique de la formation des motifs dans la nature : pics, cavités, rayures et labyrinthes en sortent tous, deux paramètres suffisant à les distinguer, et l’apprentissage automatique sait retrouver, à partir de la seule forme, la fluence et le délai qui l’ont produite.

07

Trajectoires · dizaines d’impulsions · cohérence

Apprendre à absorber la lumière : la lumière organise, la matière mémorise

Une surface irradiée ne fait pas que s’éroder : elle réoriente peu à peu sa propre façon d’absorber la lumière, comme si elle apprenait de ce qu’elle a traversé. Cette faculté à organiser une réponse à partir de l’expérience accumulée ne semble pas propre au vivant. L’apprentissage automatique sert ici à donner forme à cette mémoire de la matière plutôt qu’à la prédire.

08

Applications · nm à µm · propriétés

Surfaces fonctionnalisées : du relief organisé à une fonctionnalité renforcée

Ici, le relief organisé cesse d’être une simple image : il devient une propriété. Une couleur inscrite sans le moindre pigment, une pénétration d’hydrogène ralentie par une texture périodique, une topochimie et des nanopuits sur verres métalliques, une oxydation contrôlée du tungstène, une mouillabilité ajustée sur acier inoxydable : à chaque fois, la fonction ne se déduit pas de la forme seule. Chaque application renvoie ainsi une question tout en amont de la chaîne, et referme la boucle qui va de l’électron à l’usage.