Excitons intercouches (ellipsoïdes brillants), qui peuvent se former après la séparation des électrons et des trous (sphères rouges et bleues) entre des couches atomiquement fines excitées optiquement (feuilles supérieure et inférieure). Crédit : Markus Plankl (2021)
Une équipe de physiciens d’Allemagne, des États-Unis et du Royaume-Uni a réussi à observer le mouvement des électrons d’une couche atomiquement mince vers une couche adjacente avec une résolution spatiale à l’échelle nanométrique. Le nouveau concept de nanoscopie sans contact, qui présente un grand potentiel pour les investigations sur les matériaux conducteurs, non conducteurs et supraconducteurs, sera présenté dans le nouveau volume de la revue scientifique Nature Photonics.
La nanotechnologie ressemble parfois encore à de la science-fiction, mais fait déjà partie intégrante de l’électronique moderne dans nos ordinateurs, téléphones intelligents et voitures. La taille des composants électroniques, comme les transistors et les diodes a atteint l’échelle nanométrique, correspondant à seulement un millionième de millimètre. De ce fait, les microscopes optiques classiques ne suffisent plus pour inspecter ces nanostructures. Pour développer de futures nanotechnologies innovantes, les scientifiques ont remplacé le microscope optique par des concepts beaucoup plus sophistiqués, tels que la microscopie électronique ou à effet tunnel. Cependant, ces techniques utilisent des électrons au lieu de la lumière, ce qui peut influencer les propriétés des dispositifs nanométriques. De plus, ces techniques de mesure importantes sont limitées à des échantillons électriquement conducteurs.
Une équipe de physiciens autour de Rupert Huber et Jaroslav Fabian du Regensburg Center for Ultrafast Nanoscopy (RUN) de l’Universität Regensburg, avec leurs collègues Tyler Cocker de la Michigan State University, USA, et Jessica Boland de l’Université de Manchester, UK, ont présenté un nouveau technique, qui peut résoudre le mouvement des électrons à l’échelle nanométrique sans avoir besoin d’être contacté électriquement. Mieux encore, la nouvelle méthode atteint également une résolution temporelle incroyable aussi bonne qu’un quadrillionième de seconde (l’échelle de temps femtoseconde). La combinaison de ces résolutions spatiales et temporelles extrêmes rend possible l’enregistrement de films au ralenti de la dynamique des électrons ultrarapides à l’échelle nanométrique.
Le concept derrière la technique fonctionne de manière similaire au paiement sans contact (carte à puce, téléphone, scanner), qui est devenu un élément de plus en plus courant dans nos vies depuis le début de la pandémie. Ces méthodes de paiement sont basées sur des fréquences et des protocoles établis à grande échelle tels que Near Field Communication (NFC). Ici, les scientifiques ont transféré cette idée à l’échelle nanométrique en utilisant une pointe métallique pointue comme nano-antenne, qui est rapprochée de l’échantillon étudié.
Contrairement aux techniques établies susmentionnées, où des pointes sont utilisées pour conduire un courant à travers l’échantillon, le nouveau concept utilise un faible champ électrique alternatif pour balayer l’échantillon sans contact. La fréquence utilisée dans les expériences est augmentée jusqu’à la gamme spectrale térahertz, environ 100 000 fois supérieure à celle utilisée dans les scanners NFC. Des changements infimes dans ces champs électriques faibles permettent de tirer des conclusions précises sur le mouvement local des électrons dans le matériau.
La combinaison des mesures avec une théorie quantique réaliste montre que le concept permet même des résultats quantitatifs. Afin d’obtenir en outre une résolution temporelle élevée, les physiciens ont utilisé des impulsions lumineuses extrêmement courtes pour enregistrer des instantanés nets du mouvement des électrons sur des distances nanométriques.
L’équipe a choisi un échantillon d’une nouvelle classe de matériaux appelés dichalcogénures de métaux de transition, qui peuvent être produits en couches atomiquement minces, comme premier échantillon d’essai. Lorsque ces feuilles sont empilées sous des angles librement choisis, de nouveaux solides artificiels émergent avec de nouvelles propriétés matérielles, qui sont largement étudiées au Collaborative Research Center 1277 à Ratisbonne.
L’échantillon à l’étude a été fabriqué à partir de deux dichalcogénures atomiquement minces différents pour tester la pièce maîtresse d’une cellule solaire futuriste. Lors de la projection de lumière verte sur la structure, des porteurs de charge émergent qui se déplaceront dans l’une ou l’autre direction en fonction de leur polarité – le principe de base d’une cellule solaire, qui convertit la lumière en électricité. La séparation de charge ultrarapide a été observée par les scientifiques dans le temps ainsi que dans l’espace avec une précision nanométrique. À leur grande surprise, la séparation de charge fonctionne même de manière fiable lorsque les couches de dichalcogénure reposent sur de minuscules impuretés comme un mini tapis – des informations importantes pour optimiser ces nouveaux matériaux pour une utilisation future dans les cellules solaires ou les puces informatiques.
Les chercheurs sont exaltés par leurs résultats perspicaces. « Nous sommes impatients de filmer d’autres processus fascinants de transfert de charge dans les matériaux isolants, conducteurs et supraconducteurs », explique Markus Plankl, premier auteur de la publication. Le collègue postdoctoral et co-auteur Thomas Siday ajoute : « Les informations sur le transport ultrarapide sur la durée et les échelles de temps pertinentes nous aideront à comprendre comment le tunneling façonne les fonctionnalités dans un large éventail de systèmes de matière condensée. »
Outre les nanostructures en physique, des processus quantiques auparavant insaisissables dans les systèmes biologiques sont désormais accessibles. Ces résultats reflètent l’intérêt croissant des chercheurs en biologie, chimie et physique de l’Université de Ratisbonne pour la nanoscopie ultrarapide, ce qui a conduit à l’approbation du nouveau Regensburg Center for Ultrafast Nanoscopy (RUN). Le bâtiment RUN, actuellement en construction sur le campus universitaire, devrait offrir l’environnement optimal pour une telle exploration interdisciplinaire du nanocosme.
Référence : « Subcycle contact-free nanoscopy of ultrafast interlayer transport in atomically thin heterostructures » par M. Plankl, PE Faria Junior, F. Mooshammer, T. Siday, M. Zizlsperger, F. Sandner, F. Schiegl, S. Maier, MA Huber, M. Gmitra, J. Fabian, JL Boland, TL Cocker et R. Huber, 13 mai 2021, Photonique de la nature.
DOI : 10.1038 / s41566-021-00813-y
