Les excitons, rencontrés dans des technologies comme les cellules solaires et les téléviseurs, sont des quasiparticules formés par un électron et un «trou» chargé positivement, se déplaçant ensemble dans un semi-conducteur. Créé lorsqu’un électron est excité à un état d’énergie plus élevé, les excitons transfèrent de l’énergie sans porter de charge nette. Bien que leur comportement dans les semi-conducteurs traditionnels soit bien compris, les excitons agissent différemment dans les semi-conducteurs organiques.
Des recherches récentes menées par le physicien de la matière condensée Ivan Biaggio se concentrent sur la compréhension des mécanismes de la dynamique de l’exciton, l’enchevêtrement quantique et la dissociation dans les cristaux moléculaires organiques.
Le papier est publié dans le journal Lettres d’examen physique.
Dans les matières organiques, les excitons doivent d’abord se déplacer dans le matériau pour ensuite se dissocier et générer un courant utilisable. Le laboratoire de Biaggio utilise des lasers pour exciter ces particules et observer leurs interactions au niveau quantique. Les chercheurs suivent le comportement des excitons via des impulsions laser courtes et une fluorescence, analysant les « battements quantiques » pour étudier des processus complexes tels que la fission singulet, le transport du triplet et la fusion du triplet. La fission de singulet divise une excitation initiale (avec Spin 0, appelé singulet) en deux excitons triplet (chacun avec Spin 1) qui maintiennent toujours un spin combiné de 0 dans un état quantique enchevêtré.
Le laboratoire étudie les propriétés d’une paire d’excitons triplet entangée quantique générée après photoexcitation. Biaggio et son équipe cultivent des cristaux de rubrene, un semi-conducteur organique qui possède une mobilité élevée des porteurs et permet une fission d’exciton singulet, puis utilise des lasers pour exciter sélectivement et détecter des excitons spécifiques. Ils exploitent les processus par lesquels les excitons absorbent la lumière de différentes longueurs d’onde, et qui permettent à deux excitons triplet d’émettre un photon lorsqu’ils se rencontrent.
« La détection de la décroissance de la fluorescence et les ondulations à haute fréquence causées par l’entangulaire quantique sont un moyen mécanique quantique d’observer ce qui se passe », explique Biaggio, la chaise Joseph A. Waldschmitt en physique.
« Il est indirect car il repose sur la détection de ce que font ces excitons, non pas en termes de dissociation et de création de courant, mais en termes d’errance dans le cristal, puis à un moment donné, se réunissant à nouveau et réémissant la lumière .
Les dernières expériences de Biaggio examinent comment l’entangulaire quantique des paires d’exciton triplet peut persister alors que les deux excitons errent indépendamment dans le cristal. Ses expériences ont mis au jour un processus dans lequel les horloges de paires d’excitation triplet peuvent se synchroniser, même si chaque horloge continue de cocher à la même fréquence.
Cette recherche pourrait éventuellement faciliter le développement des semi-conducteurs ou les sciences de l’information quantique. L’objectif à long terme est de mieux comprendre les comportements d’excitons fondamentaux, qui pourraient éventuellement influencer les applications dans la récolte d’énergie solaire, ou éventuellement l’informatique quantique.
Plus d’informations:
Gerald Curran et al, persistance de la cohérence du spin dans un environnement cristallin, Lettres d’examen physique (2024). Doi: 10.1103 / PhysRevLett.133.056901. Sur arxiv: arXiv.org/html/2406.02703v1