Une équipe de physiciens dirigée par le Dr Hrvoje Petek du département de physique et d’astronomie de l’université de Pittsburgh a détecté, pour la première fois, l’exciton – une quasi-particule responsable du transfert d’énergie dans des dispositifs tels que les cellules solaires, les LED et les circuits semi-conducteurs – dans un métal.
Des scientifiques présentent des preuves directes de la présence d’excitons sur une surface Ag(111) au cours d’un processus de photoémission à trois photons avec des impulsions laser de 15 fs.
L’humanité utilise quotidiennement la réflexion de la lumière sur un miroir métallique depuis des millénaires, mais la magie de la mécanique quantique derrière ce phénomène familier n’est découverte que maintenant.
Lorsque la lumière se reflète sur un miroir métallique, elle secoue les électrons libres du métal et l’accélération des électrons qui en résulte crée une réplique presque parfaite de la lumière incidente.
La théorie classique de l’électromagnétisme permet de bien comprendre les entrées et les sorties de ce processus, mais il manque une description mécanique quantique microscopique de la façon dont la lumière excite les électrons.
Les propriétés optiques et électroniques des métaux font que les excitons – particules d’interaction lumière-matière – ne durent pas plus de 100 attosecondes environ. Cette courte durée de vie rend difficile l’étude des excitons dans les métaux, mais elle permet également à la lumière réfléchie d’être une réplique presque parfaite de la lumière entrante.
Le Dr Petek et ses collègues de l’Université de Pittsburgh et de l’Institut de Physique de Croatie ont réussi à observer des excitons à la surface d’un cristal d’argent.
Ils ont découvert expérimentalement que les électrons de surface des cristaux d’argent peuvent maintenir l’état excitonique plus de 100 fois plus longtemps que le métal en vrac, ce qui permet de capturer expérimentalement les excitons dans les métaux par une technique de spectroscopie cohérente multidimensionnelle récemment développée.
Les résultats sont publiés dans un article dans le journal Nature Physics.
La capacité de détecter les excitons dans les métaux permet de comprendre comment la lumière est convertie en énergie électrique et chimique dans les plantes et les cellules solaires. À l’avenir, elle pourrait permettre aux métaux de servir d’éléments actifs dans les communications optiques.
En d’autres termes, il pourrait être possible de contrôler la façon dont la lumière est réfléchie par un métal.
