Des scientifiques capturent la danse éphémère des excitons moirés


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  • Publié dans une revue de premier plan Nature, des scientifiques de l’Okinawa Institute of Science and Technology Graduate University (OIST), du SLAC National Accelerator Laboratory (SLAC) et de l’Université de Stanford ont, dans une première mondiale, imagé et mesuré les deux parties d’une particule unique, appelée exciton amoiré. Les excitons sont salués comme ayant le potentiel de révolutionner les dispositifs technologiques et quantiques, mais ils sont généralement de nature éphémère, ne durant souvent pas plus de quelques millièmes de milliardième de seconde, ce qui les rend incroyablement difficiles à étudier. Les excitons moirés ont tendance à avoir une durée de vie plus longue et constituent donc un moyen attrayant d’étudier la particule et ses applications potentielles. Pourtant, les informations sur leur taille, leur forme et leur comportement restent floues.

    Les excitons sont créés lorsque la lumière est projetée sur un matériau semi-conducteur. Les particules de lumière, appelées photons, interagissent avec les électrons du matériau. Cela fait sauter les électrons à un niveau d’énergie plus élevé. Chacun laisse derrière lui un trou au niveau d’énergie inférieur. Les deux sont chargés de manière opposée, de sorte qu’ils s’attirent mutuellement et tournent l’un autour de l’autre, formant l’exciton de courte durée.

    « Nous avons déjà visualisé la partie électronique de l’exciton avant qu’elle ne disparaisse », a déclaré M. Vivek Pareek, l’un des six premiers auteurs de cet article et candidat au doctorat dans l’unité de spectroscopie femtoseconde de l’OIST. « Dans cette nouvelle étude, nous avons mesuré les deux parties de l’exciton. C’était la première fois que nous voyions le ‘trou’, ou l’absence d’électron. »

    « Il s’agit d’une recherche vraiment passionnante qui pourrait avoir de vastes implications », a ajouté le Dr Michael Man, chercheur dans la même unité et également l’un des premiers auteurs. « Les excitons adoptent les propriétés du matériau dans lequel ils se trouvent. En contrôlant les matériaux et l’environnement des excitons, nous pouvons contrôler l’exciton lui-même. »

    Dans les recherches précédentes, les scientifiques ont visualisé des excitons dans un semi-conducteur bidimensionnel à une seule couche. Maintenant, les chercheurs ont empilé deux couches semi-conductrices l’une sur l’autre. Lorsque l’exciton se forme, l’électron saute d’une couche à l’autre. Cela oblige l’électron et le trou à rester séparés plus longtemps, prolongeant ainsi la durée de vie de l’exciton.

    Les échantillons bidimensionnels à deux couches ont été créés dans les laboratoires de pointe du SLAC et de l’Université de Stanford. Les deux couches devaient être alignées de manière très spécifique pour créer un motif, appelé motif moiré.

    « Imaginez que la structure atomique des deux matériaux différents soit comme deux réseaux. Les structures se ressemblent mais elles ne sont pas exactement les mêmes », a expliqué le Dr Ouri Karni, également premier auteur et chercheur postdoctoral travaillant dans le groupe du Prof. Tony Heinz au SLAC et à l’Université de Stanford. « Lorsque les filets sont placés les uns sur les autres, il y a certains endroits où les trous dans les filets se chevauchent, et d’autres où ils ne se chevauchent pas. Il en résulte un motif moiré. Nous avons aligné ces » filets « atomiques à des angles très spécifiques afin ils présenteraient clairement le motif de moiré, qui exprime à son tour ce qu’on appelle le potentiel de moiré – un « paysage » périodique de niveaux d’énergie électronique à travers le matériau. »

    Les échantillons ont ensuite été envoyés à l’OIST où les scientifiques ont utilisé une technique puissante et unique. Ils ont projeté un faisceau de lumière dans la plage ultraviolette extrême sur le matériau. L’énergie était si élevée que les excitons ont été brisés et leurs électrons ont été envoyés hors du matériau. En mesurant la vitesse et les angles des électrons lorsqu’ils quittaient le matériau, les scientifiques ont pu revenir sur ces informations et construire une image de l’exciton.

    Peut-être la partie la plus importante et la plus excitante de cette recherche, à la fois conceptuellement et expérimentalement, était que les scientifiques étaient également capables de voir le trou. Puisque le trou est en fait l’absence d’électron, il n’émet aucun de ses propres signaux et sa présence ne peut être détectée que par ce qui l’entoure, de la même manière que les trous noirs sont détectés.

    « C’est un outil incroyablement puissant, qui nous a permis d’obtenir une image complète de l’exciton – à quelle distance l’électron et le trou étaient l’un de l’autre, et à quel point les deux se sont déplacés ensemble dans le matériau », a déclaré M. Jonathan Geogaras, un autre premier auteur et candidat au doctorat dans le groupe théorique du professeur Felipe Jornada à l’Université de Stanford.

    De plus, ils ont également pu estimer le nombre d’excitons présents, ce qu’ils n’ont pas pu faire avec les seuls signaux d’électrons.

    Les chercheurs ont découvert qu’en raison du potentiel de moiré, les excitons étaient très localisés et se formaient à des endroits où l’énergie était minimale. Cela signifiait que les excitons étaient effectivement épinglés dans de minuscules poches d’environ 1,8 nanomètre, malgré leur diamètre relativement grand, à environ 5,2 nanomètres.

    « Après près d’un siècle de connaissances sur l’existence des excitons, nous sommes maintenant en mesure d’obtenir une vue quasi holistique de cette particule importante en l’examinant et en imaginant ses deux particules constitutives », a conclu le professeur Keshav Dani, qui dirige l’étude Femtoseconde de l’OIST. Spectroscopy Unit et est l’un des principaux auteurs de l’article. « Cette recherche ouvre les portes à l’étude de phénomènes plus sophistiqués avec des excitons pour la technologie quantique. Notre démonstration actuelle de l’épinglage du grand exciton moiré dans de minuscules poches n’est que le début. »

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