Dans les bonnes combinaisons et conditions, les matériaux bidimensionnels peuvent héberger des phases quantiques intrigantes et potentiellement précieuses, comme la supraconductivité et des formes uniques de magnétisme. Les raisons pour lesquelles ils se produisent et la manière dont ils peuvent être contrôlés suscitent un intérêt considérable parmi les physiciens et les ingénieurs. Recherche publiée dans Physique naturelle révèle une fonctionnalité auparavant cachée qui pourrait expliquer comment et pourquoi des phases quantiques énigmatiques émergent.
À l’aide d’une nouvelle technique spectroscopique térahertz (THz), les chercheurs ont révélé que de minuscules empilements de matériaux 2D, trouvés dans des laboratoires de recherche du monde entier, peuvent naturellement former ce que l’on appelle des cavités. Ces cavités confinent la lumière et les électrons dans des espaces encore plus petits, modifiant potentiellement leur comportement de manière drastique.
« Nous avons découvert une couche cachée de contrôle dans les matériaux quantiques et ouvert la voie à la formation des interactions lumière-matière de manière à nous aider à comprendre les phases exotiques de la matière et, à terme, à les exploiter pour les futures technologies quantiques », a déclaré James McIver, professeur adjoint de physique à Columbia et auteur principal de l'article.
La découverte a commencé à Hambourg, lorsque McIver était chef de groupe à l'Institut Max Planck pour la structure et la dynamique de la matière (MPSD), l'une des institutions qui composent le Centre Max Planck-New York sur les phénomènes quantiques hors équilibre. Les chercheurs du Centre, qui comprend également Columbia, le Flatiron Institute et l'Université Cornell, s'intéressent à ce qui se passe lorsque des systèmes stables sont déséquilibrés.
Le laboratoire McIver se tourne vers la lumière. « Les matériaux 2D, avec leurs propriétés macroscopiques fascinantes, se comportent souvent comme des boîtes noires. En les éclairant, nous pouvons littéralement mettre en lumière le comportement caché de leurs électrons, révélant des détails qui autrement resteraient invisibles », a déclaré Gunda Kipp, titulaire d'un doctorat. étudiant au MPSD travaillant avec le groupe McIver et premier auteur de la publication. Le défi est que les longueurs d’onde de lumière nécessaires pour sonder les matériaux 2D sont bien plus grandes que les matériaux eux-mêmes, qui sont généralement plus petits qu’un cheveu humain.
Pour remédier à cette inadéquation de taille, l’équipe a réduit considérablement les choses avec un spectroscope de la taille d’une puce qui confine la lumière THz – la plage dans laquelle on pense que des phénomènes quantiques énigmatiques se produisent – de 1 mm à seulement 3 micromètres. Cela permet à l’équipe de visualiser le comportement des électrons dans les systèmes 2D. Ils ont commencé des expériences avec le graphène pour tester dans quelle mesure le spectroscope pouvait mesurer la conductivité optique dans un matériau bien étudié.
Ils ont vu des vagues stationnaires inattendues.
« La lumière peut se coupler aux électrons pour former des quasiparticules hybrides lumière-matière. Ces quasiparticules se déplacent sous forme d'ondes et, dans certaines conditions, elles peuvent devenir confinées, un peu comme l'onde stationnaire sur une corde de guitare qui produit une note distincte », a expliqué Hope Bretscher, chercheuse postdoctorale au MPSD et co-premier auteur.
Dans le cas de la guitare, les extrémités fixes de la corde définissent les limites de l'onde stationnaire ; tenir vos doigts sur les cordes raccourcit l'onde à laquelle une corde peut vibrer, modifiant ainsi la note qu'elle produit. En optique, un effet similaire peut être obtenu avec deux miroirs qui emprisonnent la lumière entre eux et créent une onde stationnaire confinée à l’intérieur de ce que l’on appelle une cavité. Lorsqu’un matériau est placé entre les miroirs, la lumière réfléchie va interagir avec lui, modifiant potentiellement ses propriétés.
Mais les miroirs peuvent être facultatifs.
« Nous avons constaté que les bords du matériau agissent déjà comme des miroirs », a déclaré Kipp. Avec leur spectroscope THz, ils ont observé que les flux d’électrons excités se réfléchissent sur les bords pour former un type de quasiparticule hybride lumière-matière appelée polariton de plasmon.
Le laboratoire McIver a étudié un dispositif composé de plusieurs couches, chacune pouvant agir comme une cavité séparée de quelques dizaines de nanomètres. Les plasmons qui se forment dans chaque couche peuvent, à leur tour, interagir, souvent fortement. « C'est comme connecter deux cordes de guitare : une fois liées, la note change », a déclaré Bretscher. « Dans notre cas, cela change radicalement. »
La question suivante est de savoir ce qui détermine exactement les fréquences des quasi-particules vibrantes et la force avec laquelle la lumière et le matériau interagissent. « Avec Marios Michael, co-auteur et boursier postdoctoral du MPSD, nous avons développé une théorie analytique qui n'avait besoin que d'une poignée de paramètres d'échantillon géométriques pour correspondre aux observations de nos expériences », a déclaré Kipp.
« D'un simple clic, notre théorie peut extraire les propriétés d'un matériau et nous aidera à concevoir et à adapter de futurs échantillons pour obtenir des propriétés spécifiques. Par exemple, en suivant les résonances en fonction de la densité des porteurs, de la température ou du champ magnétique, nous pouvons découvrir les mécanismes à l'origine des différentes phases quantiques. «
Tandis que les travaux publiés capturaient des plasmons, le nouveau spectroscope THz à l'échelle d'une puce devrait être capable d'observer d'autres types de quasiparticules oscillant dans une grande variété de matériaux 2D. L’équipe travaille déjà à mesurer de nouveaux échantillons à Hambourg et à New York.
« L'ensemble de ce projet était en quelque sorte une découverte fortuite. Nous ne nous attendions pas à voir ces effets de cavité, mais nous sommes ravis de les utiliser pour manipuler des phénomènes dans les matériaux quantiques à l'avenir », a déclaré Bretscher. « Et maintenant que nous disposons d'une technique pour les voir, nous sommes intrigués de savoir comment ils pourraient affecter d'autres matériaux et phases. »
