Une équipe de physiciens de l’Université de Californie, Riverside, a produit le premier “liquide électron-trou” à température ambiante.
Dans les dispositifs électroniques classiques, l’électricité nécessite le mouvement des électrons (sphères bleues) et de leurs homologues positifs, appelés trous (sphères rouges), qui se comportent un peu comme les molécules de gaz de notre atmosphère. Bien qu’ils se déplacent rapidement et se heurtent rarement dans la phase gazeuse, les électrons et les trous peuvent se condenser en gouttelettes liquides semblables à de l’eau liquide dans les dispositifs composés de matériaux ultraminces. Crédit image : QMO Lab, Université de Californie, Riverside.
Dans leurs expériences, Nathaniel Gabor, de l’Université de Californie, Riverside, et ses co-auteurs ont construit un sandwich ultrafin de ditelluride de molybdène, un semi-conducteur, entre des couches de graphène. La structure en couches était à peine plus épaisse que la largeur d’une seule molécule d’ADN.
Les chercheurs ont ensuite bombardé le matériau avec des impulsions laser ultrarapides, mesurées en quadrillionièmes de seconde.
“Normalement, avec des semi-conducteurs comme le silicium, l’excitation laser crée des électrons et leurs trous chargés positivement qui diffusent et dérivent dans le matériau, ce qui correspond à la définition d’un gaz”, a déclaré le Dr Gabor.
Cependant, l’équipe a détecté des preuves de condensation dans l’équivalent d’un liquide. Un tel liquide aurait des propriétés semblables à celles des liquides courants comme l’eau, sauf qu’il ne serait pas constitué de molécules, mais d’électrons et de trous dans le semi-conducteur.
“Nous avons augmenté la quantité d’énergie déversée dans le système, et nous n’avons rien vu, rien, rien – puis soudain nous avons vu la formation de ce que nous avons appelé un ‘anneau de photocourant anormal’ dans le matériau. Nous avons réalisé qu’il s’agissait d’un liquide car il s’est développé comme une gouttelette, au lieu de se comporter comme un gaz”, a déclaré le Dr Gabor.
“Ce qui nous a vraiment surpris, cependant, c’est que cela s’est produit à température ambiante. Auparavant, les chercheurs qui avaient créé de tels liquides électrons-trous n’avaient pu le faire qu’à des températures plus froides que même dans l’espace profond.”
“Les propriétés électroniques de ces gouttelettes permettraient de développer des dispositifs optoélectroniques qui fonctionnent avec une efficacité sans précédent dans la région térahertz du spectre.”
Les longueurs d’onde térahertz sont plus longues que les ondes infrarouges mais plus courtes que les micro-ondes, et il a existé une ” lacune térahertz ” dans la technologie d’utilisation de ces ondes.
Les ondes térahertz pourraient être utilisées pour détecter les cancers de la peau et les caries dentaires en raison de leur pénétration limitée et de leur capacité à résoudre les différences de densité.
De même, ces ondes pourraient être utilisées pour détecter des défauts dans des produits tels que les comprimés de médicaments et pour découvrir des armes dissimulées sous des vêtements.
“Les émetteurs et récepteurs térahertz pourraient également être utilisés pour des systèmes de communication plus rapides dans l’espace”.
“Et, le liquide électron-trou pourrait être la base des ordinateurs quantiques, qui offrent le potentiel d’être beaucoup plus petits que les circuits à base de silicium actuellement utilisés.”
“Plus généralement, la technologie utilisée dans son laboratoire pourrait servir de base à l’ingénierie de ‘métamatériaux quantiques’, avec des dimensions à l’échelle de l’atome qui permettent une manipulation précise des électrons pour les amener à se comporter de manière nouvelle.”
La recherche est publiée dans le journal Nature Photonics.
