Des physiciens de l’Université de Ratisbonne ont chorégraphié le déplacement d’un niveau d’énergie électronique quantifié avec des oscillations atomiques plus rapides qu’un billionième de seconde.
En lançant une balle en l’air, on peut transférer de l’énergie arbitraire à la balle de telle sorte qu’elle vole plus haut ou plus bas. L’une des bizarreries de la physique quantique est que les particules, par exemple les électrons, ne peuvent souvent prendre que des valeurs d’énergie quantifiées, comme si la balle sautait entre des hauteurs spécifiques, comme les marches d’une échelle, plutôt que de voler continuellement.
Les qubits et les ordinateurs quantiques ainsi que les points quantiques électroluminescents (prix Nobel 2023) exploitent ce principe. Cependant, les niveaux d’énergie électronique peuvent être modifiés par des collisions avec d’autres électrons ou atomes. Les processus dans le monde quantique se déroulent généralement à l’échelle atomique et sont également incroyablement rapides.
Grâce à un nouveau type de microscope ultrarapide, une équipe de Ratisbonne a réussi à observer directement avec une résolution atomique sur des échelles de temps ultrarapides comment l’énergie d’un seul électron est ajustée par les vibrations des atomes environnants. Remarquablement, ils ont également pu contrôler spécifiquement ce processus. De telles découvertes pourraient être cruciales pour le développement de technologies quantiques ultra-rapides.
Les physiciens ont utilisé un matériau atomiquement mince pour étudier comment un niveau d’énergie discret change lorsque cette couche atomique monte et descend comme la membrane d’un tambour. Ils ont observé cela lors d’une vacance – le vide laissé lorsqu’un atome individuel est retiré.
Ces cristaux bidimensionnels atomiquement minces, connus pour leurs propriétés électroniques polyvalentes et personnalisables, sont particulièrement intéressants pour la nanoélectronique du futur. Les lacunes dans un cristal sont des candidats prometteurs pour les qubits, les supports d’informations élémentaires des ordinateurs quantiques, car ils possèdent des niveaux d’énergie électronique discrets, tout comme les atomes.
Les chercheurs ont découvert qu’ils pouvaient modifier un niveau d’énergie discret du défaut en déclenchant une vibration semblable à un tambour de la membrane atomiquement fine : le mouvement atomique des atomes environnants se déplace et contrôle ainsi le niveau d’énergie de la lacune. Ces résultats ont été publiés dans Photonique naturelle.
Pour réaliser cette découverte révolutionnaire, les chercheurs ont dû surmonter plusieurs obstacles. Une résolution atomique de 1 Ångström est nécessaire pour observer les niveaux d’énergie atomiquement localisés et leur dynamique. De plus, les déplacements dans le nanomonde sont extrêmement rapides.
« Pour suivre l’évolution d’un niveau d’énergie, il est nécessaire de prendre des instantanés stroboscopiques du niveau d’énergie, chaque instantané étant enregistré en moins d’un billionième de seconde, soit plus rapidement que les picosecondes », explique la première auteure Carmen Roelcke.
Tous ces défis ont été relevés par l’équipe autour de Carmen Roelcke, Lukas Kastner et Yaroslav Gerasimenko grâce à une méthode élaborée qui exploite l’énergie et la résolution spatiale d’un microscope à effet tunnel. Dans le même temps, l’utilisation d’impulsions laser ultracourtes sur mesure permet d’enregistrer la dynamique extrêmement rapide au ralenti. L’expertise combinée des groupes de Jascha Repp et de Rupert Huber a créé une synergie décisive pour la spectroscopie ultrarapide requise à l’échelle atomique.
« Grâce à notre nouvelle approche, nous sommes capables de déchiffrer le mouvement structurel de la membrane du tambour atomique et le changement du niveau d’énergie localisé au ralenti », explique Yaroslav Gerasimenko. Les calculs des premiers principes réalisés par Maximilian Graml et Jan Wilhelm expliquent de manière concluante comment les atomes de la couche atomiquement mince se déplacent pendant l’oscillation et comment cela peut influencer les niveaux d’énergie discrets.
Les travaux de l’équipe de Ratisbonne inaugurent une nouvelle ère dans l’étude de la dynamique des niveaux d’énergie atomiquement localisés et de leur interaction avec l’environnement. Cette découverte permet le contrôle local de niveaux d’énergie discrets de la manière la plus directe. Par exemple, le mouvement d’atomes individuels pourrait modifier la structure énergétique d’un matériau et ainsi créer de nouvelles fonctionnalités ou modifier spécifiquement les propriétés des semi-conducteurs et des molécules électroluminescentes.
Basée sur une combinaison sans précédent de résolutions spatiales, temporelles et énergétiques extrêmes, une compréhension plus approfondie des processus fondamentaux tels que l’interaction locale des électrons avec les vibrations du réseau est à notre portée. De plus, cette approche pourrait aider à percer les secrets de processus clés encore incompris à l’origine des transitions de phase, comme la supraconductivité à haute température.
Plus d’information:
Carmen Roelcke et al, Spectroscopie tunnel à balayage ultrarapide à l’échelle atomique d’une seule lacune dans un cristal monocouche. Photonique naturelle. www.nature.com/articles/s41566-024-01390-6