Des scientifiques de Stanford ont produit la première image complète d’une quasiparticule insaisissable.

Bits quantiques QuBits Physique des particules atomiques

Les scientifiques ont franchi une étape importante dans la compréhension de ces quasi-particules tourbillonnantes et leur utilisation dans les futures technologies des semi-conducteurs.

Les chercheurs ont rapporté qu’ils ont imagé l’électron et le trou de l’exciton pour la première fois, révélant comment les excitons peuvent être piégés dans des réseaux denses et stables. Selon les scientifiques, ces résultats ont des implications importantes pour le développement de diverses technologies futures ainsi que pour la recherche d’une meilleure compréhension des excitons.

Les résultats ont été publiés le 8 mars 2022 dans la revue “The Journal”. Nature par des chercheurs du SLAC National Accelerator Laboratory du ministère de l’énergie, de l’université de Stanford et de l’Okinawa Institute for Science and Technology (OIST) au Japon.

“Lorsque la lumière interagit avec la matière – qu’il s’agisse d’absorber la lumière dans des dispositifs photovoltaïques pour produire de l’énergie solaire ou de créer de la lumière à partir d’électricité dans des LED – les excitons peuvent jouer un rôle important”, a déclaré Tony Heinz, professeur au SLAC et à Stanford, qui a dirigé l’un des trois groupes de recherche ayant collaboré à l’étude.

“Tant pour la compréhension fondamentale que pour le développement de nouvelles technologies, comme les émetteurs de photons uniques pour la science de l’information quantique, nous avons besoin d’une image complète de la nature et des propriétés des excitons.”

Diagramme d'exciton

Les excitons ne sont techniquement pas des particules, mais des quasi-particules (quasi- signifiant “presque” en latin). Ils sont formés par l’attraction électrostatique entre des électrons excités, chargés négativement, et des trous chargés positivement. Les trous sont des espaces laissés par les électrons excités et sont eux-mêmes un type de quasi-particule. Crédit : OIST

Une autre application potentielle est le stockage d’informations, a déclaré Ouri Karni, chercheur au SLAC : “Les excitons absorbent et émettent de la lumière, et ils pourraient être utilisés pour stocker des informations s’ils étaient confinés dans un endroit qui ne peut accueillir qu’un seul exciton à la fois. Pour cela, il faut qu’ils soient tous semblables les uns aux autres et qu’ils soient très bien confinés, il est donc important de les piéger.”

Lorsque la lumière frappe une fine feuille de matériau semi-conducteur, des excitons sont créés. Cela entraîne l’éjection des électrons de leur position normale dans les atomes, produisant des espaces vacants appelés “trous” qui traversent le matériau de la même manière que les électrons. Un exciton est formé lorsqu’un électron et un trou forment une brève liaison. L’électron et le trou tournent l’un autour de l’autre comme des danseurs se tenant la main, et ils continuent ainsi jusqu’à ce que l’électron retombe dans le trou.

Cependant, en raison de la courte durée de vie de l’exciton – aussi peu qu’un milliardième de seconde – la recherche sur ce phénomène est au point mort. Plus les excitons resteront ensemble longtemps, plus les scientifiques pourront en apprendre sur eux et plus ils deviendront utiles.

Regarder à l’intérieur d’un exciton

Jusqu’à récemment, la façon la plus courante d’étudier les excitons était de voir comment ils absorbent, émettent ou réfléchissent la lumière, a déclaré Keshav Dani, professeur associé à l’OIST, qui dirige l’unité de spectroscopie femtoseconde de l’institut. Mais cette approche présente des limites importantes. D’une part, certains excitons sont “sombres” dans le sens où ils n’interagissent pas avec la lumière et ne peuvent donc pas être étudiés de cette manière.

Il y a une dizaine d’années, Dani a commencé à développer et à améliorer une méthode existante connue sous le nom de tr-ARPES (time-resolved angle resolved photoemission spectroscopy) afin d’étudier les excitons et d’autres phénomènes quantiques de manière nouvelle.

“Avec l’instrument que nous avons développé, a-t-il dit, nous pouvions regarder à l’intérieur de l’exciton et examiner la distribution des électrons et des trous.”

Distribution de probabilité de l'électron autour du trou à l'intérieur d'un exciton.

Dans la physique du très petit, d’étranges concepts quantiques s’appliquent. Les électrons agissent à la fois comme des particules et des ondes et il est donc impossible de connaître à la fois la position et la quantité de mouvement d’un électron. Au lieu de cela, le nuage de probabilité d’un exciton montre où l’électron a le plus de chances de se trouver autour du trou. L’équipe de recherche a généré une image du nuage de probabilité de l’exciton en mesurant la fonction d’onde. Crédit : OIST

Lorsque l’instrument a été prêt à fonctionner en 2019, la première chose que son groupe a faite avec lui a été de visualiser et de mesurer les excitons sombres. Ils ont également été en mesure de déterminer l’équilibre et l’interaction entre les excitons sombres et lumineux dans un film atomiquement mince de matériau semi-conducteur.

À peu près à la même époque, Dani a commencé à collaborer avec Heinz et avec Felipe da Jornada, professeur adjoint à Stanford, dont les groupes de recherche avaient également étudié les excitons sombres et brillants.excitons.

L’année dernière, l’équipe combinée a annoncé qu’elle avait obtenu la première image montrant comment l’électron est distribué par rapport au trou dans un exciton. “C’est comme si l’on découvrait la distance qui sépare les danseurs – la distance à laquelle leurs bras s’étirent lorsqu’ils tournoient – mais cela ne vous dit pas où ils se trouvent sur la piste de danse”, a déclaré Karni. “Pour cela, il faut aussi imager le trou.”

Construction d’un piège à exciton

Dans cette dernière étude, l’équipe s’est intéressée aux excitons qui se développent à l’interface de films atomiquement minces de deux semi-conducteurs distincts. Il s’agit d’une frontière passionnante car ces excitons peuvent durer de mille à un million de fois plus longtemps que ceux des couches simples.

Ils ont d’abord mesuré la taille du trou de l’exciton pour la première fois – un véritable défi car le trou est l’absence d’un électron, pas une véritable particule, et il n’émet pas de signaux propres. Les chercheurs ont pu identifier les trous grâce aux lacunes distinctives qu’ils laissaient dans les données expérimentales.

“Cela nous a permis d’obtenir une image beaucoup plus complète du mouvement de l’électron autour du trou et du mouvement de l’exciton tout entier”, a déclaré Elyse Barré, qui était étudiante diplômée dans le groupe Heinz au moment de l’étude.

Spectroscopie à motifs moirés du SLAC

Lorsque deux films minces aux motifs répétitifs sont superposés selon un angle spécifique, ils produisent un motif moiré. Dans le domaine de la spectroscopie, ce motif se traduit par des niveaux variables d’énergie électronique à travers l’échantillon, un phénomène appelé potentiel moiré. Les chercheurs ont constaté que les excitons ont tendance à se concentrer dans les zones où l’énergie est minimale. Crédit : OIST

Ils ont ensuite entrepris de piéger les excitons en superposant des films minces de deux semi-conducteurs différents en formant un léger angle l’un par rapport à l’autre afin de créer un motif moiré à l’échelle atomique. (Vous pouvez réaliser vous-même une version à grande échelle de ce motif en superposant un écran de fenêtre à un angle léger). Chaque trou du motif moiré est une sorte de puits d’énergie capable d’attirer et de retenir un seul exciton. Les matériaux ont été conçus pour que les puits soient à peu près aussi grands que les excitons, voire légèrement plus petits.

Lorsqu’ils ont observé les structures moirées avec le tr-ARPES pour voir si et comment les excitons s’y inséraient, ils ont découvert que chaque exciton était bien calé dans son puits, comme une balle de golf dans un tee. Ce résultat était inattendu mais fortuit : on pensait qu’il fallait des puits plus grands pour capturer les excitons, mais les puits plus petits sont préférables car ils sont beaucoup plus stables et forment des réseaux plus uniformes.

Grâce à cette nouvelle capacité d’imagerie complète de particules composites telles que les excitons, les collaborateurs affirment qu’ils peuvent aller de l’avant et explorer des arrangements plus complexes d’électrons et de trous qui feront la lumière sur la nature des interactions entre plusieurs particules dans les matériaux 2D et autres matériaux quantiques.

“Nos collègues de l’OIST ont mis en place des capacités de mesure très spéciales”, a déclaré Barré, “et nous avons de la chance d’avoir pu collaborer avec eux.”

Le scientifique du personnel de l’OIST Michael Man, l’étudiant diplômé Vivek Pareek et le chercheur postdoctoral Chakradhar Sahoo, ainsi que l’étudiant diplômé de Stanford Johnathan Georgaras ont également joué un rôle clé dans ce travail. Les matériaux ont été fournis par Columbia University and the National Institute for Materials Science in Japan. The SLAC portion of the research was funded by the DOE Office of Science, including theory and computational study through DOE’s Center for Computational Study of Excited State Phenomena in Energy Materials (C2SEPEM). Work at OIST was supported by the Okinawa Institute of Science and Technology, Graduate University and the Japan Society for the Promotion of Science.

Reference: “Structure of the moiré exciton captured by imaging its electron and hole” by Ouri Karni, Elyse Barré, Vivek Pareek, Johnathan D. Georgaras, Michael K. L. Man, Chakradhar Sahoo, David R. Bacon, Xing Zhu, Henrique B. Ribeiro, Aidan L. O’Beirne, Jenny Hu, Abdullah Al-Mahboob, Mohamed M. M. Abdelrasoul, Nicholas S. Chan, Arka Karmakar, Andrew J. Winchester, Bumho Kim, Kenji Watanabe, Takashi Taniguchi, Katayun Barmak, Julien Madéo, Felipe H. da Jornada, Tony F. Heinz, and Keshav M. Dani, 9 March 2022, Nature.
DOI: 10.1038/s41586-021-04360-y

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