Des matériaux extrêmement fins, constitués de quelques couches atomiques seulement, promettent des applications pour l’électronique et les technologies quantiques. Une équipe internationale dirigée par la TU Dresden a réalisé des progrès remarquables grâce à une expérience menée au Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR) : les experts ont pu induire un processus de commutation extrêmement rapide entre des particules luminescentes électriquement neutres et chargées dans un cadre ultra-mince. , matériau effectivement bidimensionnel.
Le résultat ouvre de nouvelles perspectives pour la recherche ainsi que pour le traitement des données optiques et les détecteurs flexibles. La recherche est présenté dans la revue Photonique naturelle.
Les semi-conducteurs bidimensionnels peuvent présenter des propriétés fondamentalement différentes de celles des cristaux massifs plus conventionnels. En particulier, il est plus facile de générer ce que l’on appelle des particules d’excitons : si un électron, connu pour être chargé négativement, est excité dans le matériau en absorbant de l’énergie, il est éloigné de sa position d’origine. Il laisse derrière lui une charge mobile – un « trou » chargé positivement.
Les électrons et les trous s’attirent et forment ensemble un état lié appelé exciton, une sorte de paire électronique. Si un autre électron se trouve à proximité, il est attiré vers lui pour former un état à trois particules, appelé trion dans le jargon scientifique. La particularité du trion est la combinaison d’une charge électrique avec une forte émission de lumière, qui permet un contrôle électronique et optique simultané.
Depuis un certain temps, l’interaction entre l’exciton et le trion est considérée comme un processus de commutation à la fois intrigant en soi et susceptible de présenter un intérêt pour des applications futures. En fait, de nombreux laboratoires ont déjà réussi à basculer entre les deux états de manière ciblée, mais jusqu’à présent avec des vitesses de commutation limitées.
L’étude a été dirigée par le professeur Alexey Chernikov de la TU Dresden et le physicien du HZDR, le Dr Stephan Winnerl, a désormais pu accélérer considérablement cette commutation. Les travaux ont été menés dans le cadre du pôle d’excellence Würzburg-Dresde « Complexité et topologie des matériaux quantiques, ct.qmat ». Des chercheurs de Marburg, Rome, Stockholm et Tsukuba ont apporté d’importantes contributions au projet.
D’abord la capture, puis la séparation
Les expériences ont eu lieu dans une installation spéciale du HZDR. Le laser à électrons libres FELBE délivre des impulsions térahertz intenses, une gamme de fréquences située entre les ondes radio et le rayonnement proche infrarouge. Les chercheurs ont d’abord illuminé une couche atomiquement fine de diséléniure de molybdène à des températures cryogéniques avec de courtes impulsions laser, générant ainsi des excitons. Dès leur création, chaque exciton captait un électron parmi ceux déjà présents en nombre suffisant dans la matière, et devenait ainsi des trions.
« Lorsque nous avons ensuite envoyé des impulsions térahertz sur le matériau, les trions se sont reconvertis en excitons extrêmement rapidement », explique Winnerl. « Nous avons pu le montrer parce que les excitons et les trions émettaient un rayonnement proche infrarouge à différentes longueurs d’onde. »
Le facteur décisif dans l’expérience a été la fréquence d’adaptation des impulsions térahertz pour rompre la faible liaison entre l’exciton et l’électron. Une paire composée d’un seul électron et d’un trou a donc été recréée. Peu de temps après, cet exciton capture un autre électron et redevient un trion.
La séparation en excitons s’est déroulée à une vitesse record. Le lien a été rompu en quelques picosecondes, soit des billionièmes de seconde. « C’est presque mille fois plus rapide que ce qui était auparavant possible avec des méthodes purement électroniques et cela peut être généré à la demande avec un rayonnement térahertz », souligne Chernikov, scientifique à la TU.
La nouvelle méthode offre des perspectives de recherche intéressantes. La prochaine étape pourrait consister à étendre les processus démontrés à une variété d’états électroniques et de plates-formes matérielles complexes. Des états quantiques inhabituels de la matière, résultant de la forte interaction entre de nombreuses particules, seraient ainsi à notre portée, tout comme des applications à température ambiante.
Perspectives pour le traitement des données et la technologie des capteurs
Les résultats pourraient également devenir utiles pour des applications futures, par exemple dans la technologie des capteurs ou dans le traitement des données optiques.
« Il serait envisageable d’adapter l’effet à de nouveaux types de modulateurs à commutation rapide », explique Winnerl. « En combinaison avec les cristaux ultra-fins, cela pourrait être utilisé pour développer des composants à la fois extrêmement compacts et capables de contrôler électroniquement les informations codées optiquement. »
Un autre domaine serait celui des applications dans la détection et l’imagerie des rayonnements térahertz technologiquement pertinents.
« Sur la base des processus de commutation démontrés dans les semi-conducteurs atomiquement minces, il pourrait être possible à long terme de développer des détecteurs fonctionnant dans la gamme térahertz, réglables dans une large gamme de fréquences et pouvant être réalisés sous forme de caméras térahertz comportant un grand nombre de pixels », suggère Chernikov. « En principe, même une intensité relativement faible devrait suffire à déclencher le processus de commutation. »
La conversion des trions en excitons entraîne des changements caractéristiques dans la longueur d’onde de la lumière proche infrarouge émise. Détecter cela et le convertir en images serait assez simple et pourrait être réalisé en utilisant une technologie de pointe déjà existante.
Plus d’informations :
Tommaso Venanzi et al, Commutation ultrarapide de trions dans des matériaux 2D par photons térahertz, Photonique naturelle (2024). DOI : 10.1038/s41566-024-01512-0