Une voie possible vers des technologies futures ultra-efficaces en énergie


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  • Des chercheurs australiens ont conçu une boîte quantique pour les polaritons dans un matériau bidimensionnel, obtenant de grandes densités de polaritons et un état quantique partiellement « cohérent ».

    De nouvelles connaissances issues de la nouvelle technique pourraient permettre aux chercheurs d’accéder à des phénomènes quantiques «collectifs» frappants dans cette famille de matériaux et de permettre des technologies futures ultra-efficaces en énergie et très performantes.

    La clé de la construction de la boîte quantique était l’utilisation d’un « petit » matériau 2D (disulfate de tungstène) au-dessus d’une « grande » hétérostructure contenant le même matériau. Cela a permis aux chercheurs d’étudier attentivement et de comparer les propriétés des polaritons piégés dans la boîte et des polaritons en mouvement libre.

    « Nous avons pu démontrer que les polaritons qui se forment n’importe où à l’extérieur la boîte quantique peut voyager sur plusieurs micromètres et être piégée et s’accumuler à l’intérieur de la boîte », a expliqué le chercheur principal, le Dr Matthias Wurdack (Université nationale australienne).

    Pourquoi avons-nous besoin de grandes densités de polaritons

    Les excitons-polaritons sont une plate-forme prometteuse pour la future électronique à ultra-basse énergie, car ils peuvent circuler sans aucune dissipation d’énergie gaspillée, dans un état quantique totalement « cohérent ».

    De nouveaux semi-conducteurs 2D atomiquement minces (TMDC) sont des candidats prometteurs pour ces technologies futures car les excitons sont stables dans ces matériaux à température ambiante.

    (Le fonctionnement à température ambiante est important dans toute technologie alternative viable à faible consommation d’énergie, de sorte que l’énergie nécessaire pour surrefroidir l’appareil ne dépasse pas les gains.)

    « Cependant, ce transport » sans dissipation « nécessite une transition de phase vers un état quantique macroscopiquement cohérent, qui ne se produit qu’à de très grandes densités de particules difficiles d’accès dans les semi-conducteurs 2D », explique la professeure Elena Ostrovskaya (également à l’ANU).

    « La nouvelle technique permet aux chercheurs de l’ANU de créer des densités de polaritons élevées dans une ‘boîte quantique’ conçue. »

    Exciton Polaritons : une courte explication

    Un ‘Exciton’ est une paire électron-trou liée et peut être créé dans un semi-conducteur à bande interdite directe, où un électron photoexcité dans la bande de conduction se lie à une lacune d’électron chargée positivement (trou) dans la bande de valence.

    Le mélange de ces excitons avec de la lumière conduit à la formation de particules hybrides lumière-matière recherchées appelées « excitons-polaritons », qui peuvent traverser le semi-conducteur sans dissiper d’énergie sous forme de chaleur.

    Le « mélange » est réalisé en plaçant un semi-conducteur 2D à l’intérieur d’une microcavité composée de deux miroirs, séparés de quelques centaines de nanomètres, qui confine la lumière.

    Dans un tel dispositif, les excitons du semi-conducteur 2D peuvent se coupler fortement à la lumière confinée, formant des polaritons d’excitons (souvent appelés simplement « polaritons »).

    Comment construire une boîte quantique

    Dans le dispositif à microcavité/hétérostructure, les excitons-polaritons interagissant les uns avec les autres peuvent subir une transition de phase vers l’état quantique sans dissipation du condensat de Bose Einstein (BEC) ou superfluide, qui pourrait être utilisé dans les technologies futures.

    Cette transition de phase peut être réalisée à température ambiante à des densités de particules suffisamment grandes.

    Une méthode populaire pour augmenter la densité des particules, et donc les interactions des polaritons, consiste à les confiner dans l’espace à l’intérieur d’une boîte quantique.

    Cependant, la construction d’une boîte quantique pour les polaritons d’excitons dans des matériaux 2D est difficile, car ces matériaux sont extrêmement fragiles et facilement endommagés par les techniques de nanofabrication conventionnelles.

    Les chercheurs de FLEET/ANU ont trouvé une nouvelle façon de construire une telle boîte quantique mécaniquementsans avoir besoin de machines de nanofabrication qui exposent les matériaux 2D fragiles à des particules chaudes et abrasives.

    Cela a été fait en plaçant une «  petite  » monocouche de disulfure de tungstène TMDC (WS2), au-dessus d’un ‘grand’ WS2 monocouche espacée par Ga ultra-mince2O3 verre, à l’intérieur de la microcavité en miroir.

    Les « petites » et « grandes » tailles sont relatives à la longueur d’onde des particules d’un polariton d’exciton.

    La couche plus petite crée un « puits de potentiel » car à l’intérieur de ses limites, il y a un couplage plus fort de l’exciton à la lumière, qui prive les polaritons d’énergie potentielle, de sorte qu’ils n’ont plus assez d’énergie pour s’échapper du puits.

    La construction permet aux chercheurs d’accumuler et de confiner les polaritons dans le piège «boîte» formé par le puits de potentiel, augmentant ainsi considérablement la densité de polaritons dans la boîte.

    Une étude confirme une étape vers l’état quantique souhaité

    Les chercheurs ont pu comparer les caractéristiques des polaritons à l’intérieur et à l’extérieur du piège à boîte.

    Ils ont découvert que le piégeage conduit à une redistribution de l’énergie vers des états d’énergie plus faibles, signalant une avancée vers les états quantiques souhaités de BEC et de superfluidité.

    De plus, les chercheurs ont découvert que le piégeage améliore considérablement la cohérence macroscopique des polaritons, avant même que la phase BEC ne soit atteinte.

    C’est parce que la lumière confinée a une durée de vie beaucoup plus longue que le WS2 excitons, et le piégeage réduit fortement les fluctuations de phase du gaz de polariton.

    Remarquablement, la cohérence améliorée dans le piège a également été obtenue lorsque les polaritons ont été exclusivement créés à l’extérieur de la région de piégeage et ont peuplé le piège en se déplaçant vers lui à travers l’échantillon.

    Nouveaux matériaux

    Les semi-conducteurs utilisés dans cette étude appartiennent à la famille des cristaux de dichalcogénure de métaux de transition (TMDC), qui sont des cristaux en couches faiblement liés via des interactions de van-der-Waals (similaire au graphite dans les crayons).

    Parce que les liaisons entre les couches sont si faibles, les chercheurs peuvent « éclaircir » ces cristaux relativement simplement en utilisant la méthode du « scotch » – la première, célèbre, utilisée par Geim et Novoselov pour isoler le graphène 2D en 2010.

    Lorsqu’elle est amincie jusqu’à la limite de la monocouche (c’est-à-dire, un atome d’épaisseur), la lumière à une longueur d’onde distincte interagit fortement avec les monocouches, créant directement des excitons. (Ce processus ne se produit pas dans les cristaux en vrac.)

    Les TMDC 2D sont considérés comme des plateformes prometteuses pour les technologies futures car les excitons de ces matériaux sont stables à température ambiante.

    Cependant, les excitons dans les TMDC ne possèdent que de faibles interactions efficaces les uns avec les autres, ce qui rend les phénomènes quantiques «collectifs» tels que le BEC et la superfluidité difficiles à atteindre.

    « Alors que les excitons des TMDC interagissent fortement avec la lumière pour former des polaritons d’excitons, les polaritons d’excitons des TMDC n’interagissent que faiblement les uns avec les autres », explique Matthias. « Une densité de polaritons très élevée pourrait être un moyen de contourner ce défi. »

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