Des chercheurs de l’Université de Nanjing et de l’Université de Beihang en Chine et de l’Institut Max Planck pour la structure et la dynamique de la matière (MPSD) à Hambourg, en Allemagne, ont produit une nouvelle classe d’excitons à dimensionnalité hybride en concevant les propriétés du diphosphure de silicium en couches (SiP₂) . Leurs travaux ont été publiés dans Matériaux naturels.
Les excitons sont des particules liées constituées d’un électron chargé négativement et d’un trou d’électron chargé positivement. Leur comportement exotique offre une nouvelle plate-forme importante pour étudier la physique des matériaux lorsqu’ils sont couplés à d’autres états de la matière, tels que les vibrations du réseau cristallin du matériau.
À l’aide de SiP₂, des chercheurs chinois ont fabriqué un nouveau type de matériau dont les couches 2D sont liées par les forces de van der Waals et présentent de fortes interactions covalentes internes. Cela produit des chaînes de phosphore unidimensionnelles particulières le long desquelles les états électroniques peuvent se localiser. L’équipe a ensuite réussi à concevoir un nouveau type d’exciton avec une dimensionnalité hybride dans ce matériau en couches, ce qui signifie que l’électron a un caractère 1D et que le trou affiche des caractéristiques 2D. C’est la première fois qu’un tel phénomène est observé. Les théoriciens du MPSD ont confirmé les résultats avec des simulations avancées.
En exposant le matériau à la lumière laser, les expérimentateurs ont pu créer puis sonder ces états exitoniques, qui apparaissent sous forme de pics dans les spectres mesurés. En particulier, l’émergence d’un pic latéral particulier au pic excitonique principal dans les spectres montre une signature distincte des excitons de dimensionnalité hybride : en raison de leur forte dépendance à la structure interne du matériau, les excitons nouvellement créés devraient interagir fortement avec d’autres excitations matérielles, telles que les vibrations du réseau qui modifient les chaînes phosphoreuses dans SiP₂.
Le groupe de théorie du MPSD a ensuite confirmé ces découvertes grâce à une analyse approfondie, utilisant des méthodes de pointe pour étudier les particules excitoniques. Leurs simulations montrent que la particule est constituée d’un trou chargé positivement à caractère 2D et d’un électron chargé négativement localisé le long des chaînes de phosphore unidimensionnelles, donnant naissance à des excitons à dimensionnalité mixte.
Les théoriciens ont démontré qu’un tel exciton interagit fortement avec les vibrations du réseau, ce qui génère la caractéristique de pic latéral mesurée expérimentalement. Une telle caractéristique n’a jusqu’à présent été mesurée que dans des matériaux de faible dimension tels que des nanotubes de graphène ou des monocouches de dichalcogénure de métal de transition, mais pas dans un matériau massif tel que SiP₂.
Cette collaboration a montré l’existence de bandes latérales exciton-phonon dans un cristal massif 3D ainsi que des états excitoniques à dimensionnalité hybride. Alors que les scientifiques recherchent de nouvelles façons de contrôler et d’étudier les interactions entre les quasi-particules telles que les excitons, les phonons et autres dans les matériaux solides, ces découvertes représentent un progrès important.
« Notre approche fournit une plate-forme intrigante pour étudier et concevoir de nouveaux états de la matière tels que les trions (deux électrons et un trou ou vice versa) et des particules plus complexes avec une dimensionnalité hybride », déclare le co-auteur Peizhe Tang, professeur à l’Université Beihang et invité chercheur au MPSD.
Le co-auteur Lukas Windgätter, étudiant au doctorat dans le groupe Théorie de l’Institut, ajoute : « Pour moi, il est intrigant de savoir comment on peut contrôler les interactions des particules grâce à l’ingénierie des solides. En particulier, être capable de créer des particules composites avec une dimensionnalité hybride ouvre des voies vers étudier la nouvelle physique. »
Ling Zhou et al, États excitoniques non conventionnels avec bandes latérales de phonons dans du diphosphure de silicium en couches, Matériaux naturels (2022). DOI : 10.1038/s41563-022-01285-3