Les scientifiques ont développé une nouvelle technique utilisant des impulsions térahertz ultrarapides pour contrôler le mouvement atomique dans des semi-conducteurs bidimensionnels, ce qui promet des progrès dans le développement de l'informatique à grande vitesse et des appareils électroniques.
Une nouvelle étude applique un rayonnement de fréquence térahertz ultrarapide aux dichalcogénures de métaux de transition, générant des phonons cohérents.
Les semi-conducteurs sont la pierre angulaire de la technologie de nouvelle génération, c'est pourquoi une nouvelle méthode permettant d'exciter les atomes dans les matériaux semi-conducteurs est susceptible d'enthousiasmer également un large éventail de chercheurs et d'industries.
En exploitant des impulsions térahertz ultrarapides intenses et à large bande, des scientifiques de l'Université nationale de Yokohama et leurs collègues du California Institute of Technology ont démontré l'excitation atomique dans un matériau semi-conducteur bidimensionnel, faisant ainsi progresser le développement de dispositifs électroniques.
Leur article a été publié le 19 mars et figure parmi les choix de l'éditeur dans la revue Lettres de physique appliquée.
Les matériaux bidimensionnels (2D), ou nanomatériaux en forme de feuille, constituent des plates-formes prometteuses pour les futures applications de semi-conducteurs en raison de leurs propriétés électroniques uniques. Les dichalcogénures de métaux de transition (TMD), un groupe important de matériaux 2D, sont constitués de couches d'atomes de métaux de transition prises en sandwich entre des couches d'atomes de chalcogène. Disposés dans une structure en treillis, ces atomes peuvent vibrer ou osciller autour de leurs positions d'équilibre. Cette excitation collective est connue sous le nom de phonon cohérent et joue un rôle crucial dans la détermination et le contrôle des propriétés des matériaux.
Innovations dans les techniques d'induction de phonons
Traditionnellement, les phonons cohérents sont induits par des lasers à impulsions ultracourtes dans les régions visible et proche infrarouge. Les méthodes utilisant d’autres sources lumineuses restent limitées.
« Notre étude aborde la question fondamentale de savoir comment les phonons cohérents sont induits par des lasers à fréquence térahertz ultrarapides – ou photons de faible énergie – dans les matériaux TMD », a déclaré Satoshi Kusaba, professeur adjoint à la Graduate School of Engineering Science de l'Université nationale de Yokohama et premier auteur de l'étude.
Schémas de l'excitation térahertz à large bande ultrarapide et de la détection de la rotation de polarisation du phonon dans WSe2. Le résultat obtenu (en bas à droite) inclut le signal d'oscillation de phonon cohérent excité via un processus somme-fréquence (en haut à droite). Crédit : Satoshi Kusaba / Université nationale de Yokohama
Le rayonnement térahertz fait référence aux ondes électromagnétiques dont les fréquences se situent dans la gamme térahertz, entre les fréquences micro-ondes et infrarouges. L'équipe de recherche a préparé des impulsions térahertz à large bande ultrarapides pour induire une dynamique de phonons cohérente dans les films minces d'un TMD appelé WSe.2. Un dispositif précis et sensible a été mis en place pour détecter l'anisotropie optique, c'est-à-dire le comportement de la lumière lorsqu'elle traverse le matériau. Les chercheurs ont étudié les changements dans l’orientation du champ électrique des impulsions laser ultracourtes lorsqu’elles interagissent avec le matériau ; ces changements sont connus sous le nom de rotation de polarisation.
En observant attentivement la petite anisotropie optique induite, l’équipe a réussi à détecter les signaux de phonons induits par les impulsions térahertz.
« La découverte la plus importante de notre étude est que l'excitation térahertz peut induire des phonons cohérents dans les TMD grâce à un processus d'excitation somme-fréquence distinct », a déclaré Haw-Wei Lin, doctorant au California Institute of Technology au moment de la recherche et co. -premier auteur de cette étude. « Ce mécanisme, fondamentalement différent des processus d'absorption résonante et linéaire, implique l'énergie combinée de deux photons térahertz correspondant à celle du mode phonon. »
Étant donné que la symétrie des modes de phonons pouvant être excités via ce processus somme-fréquence est complètement différente de celle du processus linéaire résonant plus typique, le processus d'excitation utilisé avec succès dans cette étude est important pour contrôler pleinement les mouvements atomiques dans les matériaux. Les implications des résultats de l'étude s'étendent au-delà de la recherche fondamentale et sont prometteuses pour diverses applications concrètes.
« Grâce au processus d'excitation de fréquence somme, nous pouvons contrôler de manière cohérente les positions atomiques bidimensionnelles en utilisant l'excitation térahertz », a déclaré Kusaba. « Cela pourrait ouvrir la porte au contrôle des états électroniques des TMD, ce qui est prometteur pour le développement de Valleytronics et d'appareils électroniques utilisant des TMD pour une faible consommation d'énergie, un calcul à grande vitesse et des sources de lumière spécialisées. »
L'étude a été financée par le ministère de l'Éducation de Taiwan, la National Science Foundation, NASAet la Société japonaise pour la promotion de la science.
Parmi les autres contributeurs figurent Ryo Tamaki, Ikufumi Katayama et Jun Takada de l'Université nationale de Yokohama ; Geoffrey A. Blake du California Institute of Technology.
