Imagerie directe d’états quantiques dans des matériaux bidimensionnels

Lorsque certains semi-conducteurs absorbent la lumière, des excitons (ou des paires de particules constituées d’un électron lié à un trou d’électron) peuvent se former. Les cristaux bidimensionnels de disulfure de tungstène (WS2) ont des états d’excitons uniques qui ne se trouvent pas dans d’autres matériaux. Cependant, ces états sont de courte durée et peuvent changer très rapidement de l’un à l’autre.

Les scientifiques ont développé une nouvelle approche pour créer des images séparées de ces états quantiques individuels. En suivant les états quantiques individuels, les chercheurs ont montré que les mécanismes de couplage qui conduisent au mélange des états peuvent ne pas correspondre pleinement aux théories actuelles.

Les scientifiques sont enthousiasmés par les dichalcogénures de métaux de transition, la famille de cristaux qui comprend le disulfure de tungstène, car ils absorbent très fortement la lumière malgré leur épaisseur de seulement quelques atomes. Les chercheurs pourraient utiliser ces cristaux pour construire de nouvelles cellules solaires à l’échelle nanométrique ou des capteurs électroniques. Grâce à une nouvelle technique appelée microscopie à impulsion résolue en temps, les chercheurs peuvent désormais mieux suivre les transitions entre différents états quantiques d’excitons. Cette technique est largement applicable, de sorte que les scientifiques peuvent désormais placer d’autres matériaux et dispositifs de nouvelle génération sous ce microscope à impulsion pour voir comment ils fonctionnent.

Une variété d’états d’excitons induits par la lumière peuvent se former dans des dichalcogénures de métaux de transition monocouches (TMD) comme WS2 dans différentes conditions. Faire varier la longueur d’onde ou la puissance de la lumière excitatrice ou la température du cristal permet à différents états d’excitons de se former ou de persister. La lumière polarisée circulairement, où la direction du champ électrique tourne autour de la direction dans laquelle se déplace l’onde lumineuse, peut créer sélectivement des excitons avec une configuration de spin quantique donnée dans un ensemble spécifique de bandes d’énergie.

Des chercheurs de l’Université de Stony Brook ont ​​développé un instrument unique pour visualiser directement cet effet dans différentes conditions d’excitation lumineuse ultrarapide et démêler le mélange complexe d’états quantiques qui peuvent se former.

Publié dans Lettres d’examen physique, ces nouvelles découvertes montrent comment la force qui lie l’électron et le trou d’électron dans l’exciton contribue également au couplage très rapide, ou mélange, de différents états d’exciton. Les chercheurs ont démontré que cet effet conduit au mélange d’excitons avec différentes configurations de spin tout en conservant à la fois l’énergie et la quantité de mouvement dans le processus de couplage.

Étonnamment, les résultats ont montré que le taux de mélange des excitons ne dépendait pas des énergies des excitons comme les chercheurs l’avaient prédit auparavant. Cette étude fournit un support expérimental crucial pour certaines théories actuelles du couplage d’excitons dans les TMD, mais met également en lumière des divergences importantes. Comprendre l’interaction entre ces états d’excitons est une étape clé vers l’exploitation du potentiel des TMD pour la nanotechnologie et la détection quantique.