L'onde de densité de charge (ODC) est un état quantique macroscopique dans lequel la densité électronique et le réseau sont modulés périodiquement. Dans le dichalcogénure de métal de transition TiSe₂, l'ODC apparaît en dessous d'environ 200 K et possède plusieurs propriétés inhabituelles : de fortes fluctuations, une possible chiralité, des phases cachées et une commutation ultrarapide. La spectroscopie femtoseconde a déjà permis d'observer la fusion de l'ODC et les vibrations cohérentes du mode d'amplitude, mais on ne savait pas encore comment ces vibrations et les porteurs photoexcités sont liés aux transitions optiques. Ce travail comble cette lacune en utilisant la résolution spectrale de la sonde près d'une transition importante à 1,5 eV, souvent utilisée dans les mesures ultrarapides.
Les mesures ont été réalisées par spectroscopie optique pompe-sonde résolue en temps et en spectre. On a utilisé un oscillateur titane-saphir de longueur d'onde centrale 825 nm, de durée d'impulsion 35 fs et de fréquence de répétition 80 MHz. Pour isoler les composantes spectrales étroites de la sonde réfléchie, on a employé un monochromateur fait maison avec un réseau de diffraction et des fentes de largeur 500 µm, ce qui donnait une résolution inférieure à 7 nm. L'échantillon de TiSe₂ était refroidi à 4,8 K dans un cryostat à cycle fermé. La densité d'énergie absorbée de la pompe était de 3,45 µJ/cm², ce qui est inférieur au seuil de fusion de l'ODC. La partie non oscillante du signal était extraite par ajustement d'une fonction bi-exponentielle avec un décalage constant, et les modes vibrationnels étaient analysés par transformée de Fourier rapide.
Le signal résolu spectralement ΔR/R présente un changement de signe près de l'énergie de sonde 1,52 eV : positif du côté basse énergie et négatif du côté haute énergie. Cette particularité s'explique par un décalage vers le rouge de l'énergie de la transition optique au point M de la zone de Brillouin, causé par les porteurs photoexcités et l'échauffement du réseau. Les temps de relaxation de la partie non oscillante sont τ₁ = 608 fs et τ₂ = 6,0 ps, ce qui est cohérent avec les durées de vie des porteurs mesurées par tr-ARPES. Dans la réponse oscillante, on identifie quatre modes : le phonon optique A₁g à 6,2 THz et trois modes liés à l'ODC : le mode d'amplitude (AM) à 3,5 THz et deux modes phononiques repliés dans la zone (ZFP1 à 3,4 THz et ZFP2 à 5,2 THz). Les amplitudes des modes de l'ODC atteignent un maximum vers 1,48 eV, tandis que l'amplitude du phonon A₁g est supprimée dans cette région et augmente aux bords du spectre. Cela indique une force de couplage différente avec la transition optique au point M.
Ce travail montre que différentes vibrations cohérentes dans l'état ODC du TiSe₂ interagissent différemment avec les transitions optiques. Le phonon optique A₁g module l'énergie de la transition au point M via le potentiel de déformation, ce qui conduit à une forme dérivée de la dépendance spectrale. Les modes liés à l'ODC semblent plus fortement couplés à des transitions sensibles au paramètre d'ordre de l'ODC qu'à la transition au point M. Cela ouvre la voie à un contrôle optique sélectif de modes vibrationnels individuels dans les matériaux lamellaires et approfondit la compréhension de la microscopie des processus ultrarapides dans les systèmes à ODC.
Une direction prometteuse est le calcul théorique des transitions optiques dans le TiSe₂ en tenant compte de l'interaction électron-phonon, afin de déterminer précisément quelles transitions sont modulées par chaque mode. Il est également intéressant d'étudier la dépendance du couplage à la température et au niveau de dopage, ainsi que d'étendre la méthode à d'autres matériaux à ODC, par exemple aux dichalcogénures de tantale ou de niobium. L'utilisation d'échantillons bidimensionnels pour amplifier les effets et étudier l'influence de la dimensionnalité est envisageable.
Les résultats peuvent être utiles pour le développement de commutateurs optiques ultrarapides et de dispositifs à base d'ODC, ainsi que pour le contrôle de phonons cohérents en optoélectronique.
Il est prévu de réaliser des calculs de structure de bandes et de spectres de réflexion en tenant compte de modes phononiques spécifiques, ainsi que des mesures avec une gamme d'énergies de sonde plus large pour identifier d'autres transitions.
En physique de l'ODC, la question du mécanisme de formation de l'ODC et du rôle des corrélations excitoniques reste non résolue. Ce travail relie la dynamique du paramètre d'ordre à des transitions optiques concrètes, ce qui peut aider à distinguer le mécanisme excitonique d'un mécanisme purement électronique. On clarifie aussi comment les phonons cohérents influencent la structure électronique près de la transition, ce qui est important pour comprendre les phases hors équilibre.
La température de 4,8 K, à laquelle les mesures ont été effectuées, n'est que légèrement supérieure à la température d'ébullition de l'hélium liquide (4,2 K). À cette température, l'amplitude des phonons cohérents est maximale et l'état ODC est stable, ce qui permet de résoudre même des modes proches en fréquence, ne différant que de 0,1 THz.