Des chercheurs réussissent à coupler deux types de paires électron-trou

Les matériaux bidimensionnels de van der Waals sont au centre des travaux de nombreux groupes de recherche depuis un certain temps. Épaisses de quelques couches atomiques seulement, ces structures sont produites en laboratoire en combinant des couches d’épaisseur atomique de différents matériaux (dans un processus appelé « Lego atomique »). Les interactions entre les couches empilées permettent aux hétérostructures de présenter des propriétés qui manquent aux constituants individuels.

Le bisulfure de molybdène à deux couches est l’un de ces matériaux de van der Waals, dans lequel les électrons peuvent être excités à l’aide d’une configuration expérimentale appropriée. Ces particules chargées négativement quittent alors leur position dans la bande de valence, laissant derrière elles un trou chargé positivement, et entrent dans la bande de conduction. Compte tenu des charges différentes des électrons et des trous, les deux sont attirés l’un vers l’autre et forment ce qu’on appelle une quasi-particule. Ce dernier est également appelé paire électron-trou, ou exciton, et peut se déplacer librement dans le matériau.

Dans le bisulfure de molybdène à deux couches, l’excitation par la lumière produit deux types différents de paires électron-trou : les paires intracouches, dans lesquelles l’électron et le trou sont localisés dans la même couche du matériau, et les paires intercouches, dont le trou et l’électron sont situés dans différentes couches et sont donc spatialement séparés les uns des autres.

Ces deux types de paires électron-trou ont des propriétés différentes : les paires intracouches interagissent fortement avec la lumière, c’est-à-dire qu’elles brillent très fort. D’autre part, les excitons intercouches sont beaucoup plus faibles mais peuvent être décalés à différentes énergies et permettent donc aux chercheurs d’ajuster la longueur d’onde absorbée. Contrairement aux excitons intracouches, les excitons intercouches présentent également de très fortes interactions non linéaires entre eux, et ces interactions jouent un rôle essentiel dans bon nombre de leurs applications potentielles.

Fusion de propriétés

Or, les chercheurs du groupe dirigé par le professeur Richard Warburton du Département de physique et du Swiss Nanoscience Institute (SNI) de l’Université de Bâle ont couplé ces deux types de paires électron-trou en les amenant à des énergies similaires. Cette convergence n’est possible que grâce à l’ajustabilité des excitons intercouches, et le couplage qui en résulte fait fusionner les propriétés des deux types de paire électron-trou. Les chercheurs peuvent donc fabriquer sur mesure des particules fusionnées qui sont non seulement très brillantes mais qui interagissent également très fortement les unes avec les autres.

« Cela nous permet de combiner les propriétés utiles des deux types de paires électron-trou », explique Lukas Sponfeldner, doctorant au SNI Ph.D. École et premier auteur de l’article. « Ces propriétés fusionnées pourraient être utilisées pour produire une nouvelle source de photons individuels, qui sont un élément clé de la communication quantique. »

Compatible avec les modèles classiques

Dans l’article publié en Lettres d’examen physiqueles chercheurs montrent également que ce système complexe de paires électron-trou peut être simulé à l’aide de modèles classiques issus des domaines de la mécanique ou de l’électronique.

Plus précisément, les paires électron-trou peuvent être très efficacement décrites comme des masses ou des circuits oscillants. « Ces analogies simples et générales nous aident à mieux comprendre les propriétés fondamentales des particules couplées, non seulement dans le bisulfure de molybdène mais aussi dans de nombreux autres systèmes et contextes matériels », explique le professeur Richard Warburton.