Dans une première mondiale, les chercheurs de l'unité de spectroscopie Femtoseconde à l'Institut d'Okinawa des sciences et de la technologie (OIST) ont directement observé l'évolution des excitons sombres insaisissables dans les matériaux atomiquement minces, jetant les bases de nouvelles percées dans les technologies d'information classiques et quantiques.
Leurs résultats ont été publiés dans Communications de la nature.
Le professeur Keshav Dani, chef de l'unité, dit: « Les excitons sombres ont un grand potentiel en tant que porteurs d'information, car ils sont intrinsèquement moins susceptibles d'interagir avec la lumière, et donc moins sujets à la dégradation de leurs propriétés quantiques. Cependant, cette invisibilité les rend également très difficiles à étudier et à manipuler.
« En s'appuyant sur une percée précédente à l'OIST en 2020, nous avons ouvert un itinéraire vers la création, l'observation et la manipulation des excitons sombres. »
« Dans le domaine général de l'électronique, on manipule la charge d'électrons pour traiter les informations », explique Xing Zhu, co-prime auteur et doctorat. étudiant dans l'unité.
« Dans le domaine de Spintronics, nous exploitons la rotation des électrons pour transporter des informations. En allant plus loin, dans la vallée, la structure cristalline des matériaux uniques nous permet de coder des informations dans des états de momentum distincts des électrons, appelés vallées. »
La capacité d'utiliser la dimension de la vallée des excitons sombres pour transporter des informations les positionne comme des candidats prometteurs pour les technologies quantiques. Les excitons sombres sont par nature plus résistants aux facteurs environnementaux tels que le fond thermique que la génération actuelle de qubits, nécessitant potentiellement un refroidissement moins extrême et les rendant moins sujettes à la décohérence, où l'état quantique unique se décompose.
Définir des paysages d'énergie avec des excitons brillants et sombres
Au cours de la dernière décennie, des progrès ont été réalisés dans le développement d'une classe de matériaux semi-conducteurs atomiquement minces appelés TMDS (transition des dichalcogénides de métal).
Comme pour tous les semi-conducteurs, les atomes des TMD sont alignés dans un réseau cristallin, qui confine les électrons à un niveau (ou une bande) spécifique d'énergie, comme la bande de valence. Lorsqu'elles sont exposées à la lumière, les électrons chargés négativement sont excités à un état d'énergie plus élevé – la bande de conduction – en laissant derrière un trou chargé positivement dans la bande de valence.
Les électrons et les trous sont liés ensemble par l'attraction électrostatique, formant des quasiparticules de type hydrogène appelées excitons. Si certaines propriétés quantiques de l'électron et du trou correspondent, c'est-à-dire qu'elles ont la même configuration de spin et qu'ils habitent la même « vallée » dans l'espace de quantité de mouvement (les minima d'énergie que les électrons et les trous peuvent occuper dans la structure cristalline atomique), les deux se recombinaient dans un picoseconde, émettant de la lumière émettant une lumière dans le processus. Ce sont des excitons « brillants ».
Cependant, si les propriétés quantiques de l'électron et du trou ne correspondent pas, l'électron et le trou sont interdits de recombiner par eux-mêmes et n'émettent pas de lumière. Ceux-ci sont caractérisés comme des excitons « sombres ».
« Il y a deux« espèces »d'excitons sombres», explique le Dr David Bacon, co-premier auteur qui est maintenant à l'University College de Londres » interactions. «
« La symétrie atomique unique de TMDS signifie que lorsqu'elle est exposée à un état de lumière avec une polarisation circulaire, on ne peut créer sélectivement des excitons brillants que dans une vallée spécifique. Il s'agit du principe fondamental de la vallée », explique le Dr Vivek Pareek, le comifort d'auteur et diplômé de la technologie.
« Cependant, les excitons brillants se transforment rapidement en de nombreux excitons sombres qui peuvent potentiellement préserver les informations de la vallée. Quelles espèces d'excitons sombres sont impliquées et dans quelle mesure ils peuvent soutenir les informations de la vallée n'est pas claire, mais il s'agit d'une étape clé dans la poursuite des applications Valleytronic. »
Observer les électrons à l'échelle fémtoseconde
Using the world-leading TR-ARPES (time- and angle resolved photoemission spectroscopy) setup at OIST, which includes a proprietary, table-top XUV (extreme ultraviolet) source, the team has managed to track the characteristics of all excitons after the creation of bright excitons in a specific valley in a TMD semiconductor over time by simultaneously quantifying momentum, spin state, and population levels of electrons and trous – ces propriétés n'ont jamais été quantifiées simultanément auparavant.
Leurs résultats montrent que dans un picoseconde, certains excitons brillants sont dispersés par des phonons (vibrations de réseau cristallin quantifiées) dans différentes vallées d'élan, ce qui les rend-dark. Plus tard, les excitons de spin-sort dominent, où les électrons ont retourné le rotation dans la même vallée, persistant à des échelles de nanoseconde.
Avec cela, l'équipe a surmonté le défi fondamental de la façon d'accéder et de suivre les excitons sombres, jetant les bases de Dark Valleytronics en tant que domaine.
Le Dr Julien Madéo dit: « Grâce à la configuration sophistiquée de TR-Arpès chez OIST, nous avons directement accessible et cartographié comment et ce que les excitons sombres conserveront les informations de la vallée à longue durée de vie. Les développements futurs pour lire les propriétés de la vallée des excitons sombres débloqueront de larges applications sombres valleytronic à travers les systèmes d'information. »
