Tout comme les ondulations qui se chevauchent sur un étang peuvent s'amplifier ou s'annuler, des vagues de plusieurs types – y compris la lumière, le son et les vibrations atomiques – peuvent interférer les uns avec les autres. Au niveau quantique, ce type d'interférence alimente les capteurs de haute précision et pourrait être exploité pour l'informatique quantique.
Dans une nouvelle étude publiée dans Avancées scientifiquesles chercheurs de l'Université Rice et les collaborateurs ont démontré une forte forme d'interférence entre les phonons – les vibrations de la structure d'un matériau qui constituent les plus petites unités (quanta) de chaleur ou de son dans ce système. Le phénomène où deux phonons avec différentes distributions de fréquences interfèrent les uns avec les autres, connus sous le nom de résonance Fano, étaient deux ordres de grandeur supérieurs à ceux rapportés précédemment.
« Bien que ce phénomène soit bien étudié pour les particules comme les électrons et les photons, les interférences entre les phonons ont été beaucoup moins explorées », a déclaré Kunyan Zhang, ancien chercheur postdoctoral chez Rice et premier auteur de l'étude. « C'est une occasion manquée, car les phonons peuvent maintenir leur comportement des vagues pendant longtemps, ce qui les rend prometteurs pour des dispositifs stables et hautes performances. »
En montrant que les phonons peuvent être exploités aussi efficacement que la lumière ou les électrons, l'étude ouvre la voie à une nouvelle génération de technologies à base de phonons. La percée de l'équipe repose sur l'utilisation d'un métal bidimensionnel au-dessus d'une base en carbure de silicium. En utilisant une technique appelée hétéroépitaxie de confinement, les chercheurs n'ont intercalé que quelques couches d'atomes d'argent entre une couche de graphène et de carbure de silicium, produisant une interface étroitement liée avec des propriétés quantiques remarquables.
« Le métal 2D déclenche et renforce l'interférence entre les différents modes vibratoires dans le carbure de silicium, atteignant des niveaux record », a déclaré Zhang.
L'équipe de recherche a étudié comment les phonons interfèrent les uns avec les autres en regardant la forme de leur signal dans la spectroscopie Raman, une technique qui mesure les modes vibrationnels d'un matériau. Le spectre a révélé une forme de ligne fortement asymétrique et, dans certains cas, a montré une trempette complète, formant un motif d'antinsonance caractéristique d'une interférence intense.
L'effet s'est avéré très sensible aux spécificités de la surface du carbure de silicium. La comparaison de trois terminaisons de surface différentes de carbure de silicium a révélé un lien clair entre chaque surface et sa forme de ligne Raman unique. De plus, lorsque les chercheurs ont introduit une seule molécule de colorant à la surface, la forme de la ligne spectrale a considérablement changé.
« Cette interférence est si sensible qu'elle peut détecter la présence d'une seule molécule », a déclaré Zhang. « Il permet une détection de molécule unique sans étiquette avec une configuration simple et évolutive. Nos résultats ouvrent un nouveau chemin pour l'utilisation des phonons dans la détection quantique et la détection moléculaire de nouvelle génération. »
En explorant la dynamique de l'effet à de basses températures, les chercheurs ont confirmé que l'interférence provenait uniquement des interactions phonon et non des électrons, marquant un cas rare d'interférence quantique uniquement phonon. L'effet n'a été observé que dans le système de carbure métal / silicium 2D particulier utilisé dans l'étude et est absent dans les métaux en vrac réguliers. Cela est dû aux voies de transition spéciales et aux configurations de surface activées par la couche métallique atomiquement mince.
L'étude a également exploré la possibilité d'utiliser d'autres métaux 2D, tels que le gallium ou l'indium, pour induire des effets similaires. En affinant la composition chimique de ces couches intercalées, les chercheurs pourraient concevoir des interfaces personnalisées avec des propriétés quantiques sur mesure.
« Par rapport aux capteurs conventionnels, notre méthode offre une sensibilité élevée sans avoir besoin d'étiquettes chimiques spéciales ou de configuration de périphérique compliquée », a déclaré Shengxi Huang, professeur agrégé d'ingénierie électrique et informatique et de science des matériaux et de nano-ingénierie au riz et auteur correspondant à l'étude.
« Cette approche basée sur le phonon fait non seulement avance la détection moléculaire, mais ouvre également des possibilités passionnantes dans la récolte d'énergie, la gestion thermique et les technologies quantiques, où le contrôle des vibrations est essentiel. »
