Grâce à l'instrument de diffraction électronique ultrarapide (MeV-UED) du SLAC, l'un des outils de pointe du laboratoire pour la science ultrarapide, les chercheurs ont découvert comment un matériau ultrafin peut polariser la lumière de manière circulaire. Cette découverte ouvre la voie à une approche prometteuse pour manipuler la lumière en vue d'applications dans des dispositifs optoélectroniques. Crédit : Issues.fr.com
Des chercheurs du SLAC National Accelerator Laboratory ont découvert de nouveaux comportements dans un matériau ultrafin qui pourrait révolutionner les dispositifs optoélectroniques.
À l’aide d’une caméra électronique à grande vitesse, ils ont observé comment le ditellurure de tungstène polarise la lumière sous térahertz Les rayonnements peuvent améliorer les dispositifs utilisés dans les LED, l'imagerie médicale et bien plus encore. Ces travaux révolutionnaires pourraient conduire au développement de dispositifs optoélectroniques plus petits et multifonctionnels grâce à l'empilement de matériaux bidimensionnels.
En prenant des clichés avec la « caméra électronique » à grande vitesse du laboratoire national d'accélération SLAC du ministère de l'Énergie, les chercheurs ont découvert un nouveau comportement dans un matériau ultrafin qui offre une approche prometteuse pour manipuler la lumière. Cette approche sera utile pour les dispositifs qui détectent, contrôlent ou émettent de la lumière, collectivement appelés dispositifs optoélectroniques, et pour étudier la façon dont la lumière est polarisée dans un matériau. Les dispositifs optoélectroniques sont utilisés dans de nombreuses technologies qui touchent notre vie quotidienne, notamment les diodes électroluminescentes (DEL), les fibres optiques et l'imagerie médicale.
Comme indiqué dans le journal Nano Des lettresl'équipe, dirigée par le professeur Aaron Lindenberg du SLAC et de Stanford, a découvert que lorsqu'il est orienté dans une direction spécifique et soumis à un rayonnement térahertz linéaire, un film ultra-mince de ditellurure de tungstène, qui possède des propriétés souhaitables pour polariser la lumière utilisée dans les dispositifs optiques, polarise circulairement la lumière entrante.
Instantané pris par la caméra électronique à grande vitesse du SLAC, un instrument de diffraction électronique ultrarapide (MeV-UED), montrant la preuve de la polarisation circulaire de la lumière térahertz par un échantillon ultrafin de ditellurure de tungstène. Crédit : Sie et al., Nano Letters, 8 mai 2024
Le rayonnement térahertz : une clé pour l'optoélectronique de nouvelle génération
Le rayonnement térahertz se situe entre les micro-ondes et les infrarouges dans le spectre électromagnétique et permet de nouvelles méthodes de caractérisation et de contrôle des propriétés des matériaux. Les scientifiques aimeraient trouver un moyen d'exploiter cette lumière pour le développement de futurs dispositifs optoélectroniques.
Capturer le comportement d'un matériau sous une lumière térahertz nécessite un instrument de pointe capable d'enregistrer les interactions à des vitesses ultrarapides, et l'instrument de pointe du SLAC pour la diffraction électronique ultrarapide (MeV-UED) à la source de lumière cohérente Linac (LCLS) peut le faire. Alors que le MeV-UED est normalement utilisé pour visualiser le mouvement des atomes en mesurant la façon dont ils dispersent les électrons après avoir frappé un échantillon avec un faisceau d'électrons, ce nouveau travail a utilisé les impulsions électroniques femtosecondes pour visualiser les champs électriques et magnétiques des impulsions térahertz entrantes, ce qui a provoqué le mouvement des électrons d'avant en arrière. Dans l'étude, la polarisation circulaire a été indiquée par des images des électrons qui présentaient un motif circulaire plutôt qu'une ligne droite.
Cette illustration montre comment les électrons se sont déplacés selon un motif circulaire (à droite) après que le matériau mince (au centre) a été frappé par un rayonnement térahertz polarisé linéairement (à gauche). Crédit : Sie et al., Nano Letters, 8 mai 2024
Le matériau ultrafin ne mesure que 50 nanomètres d’épaisseur. « C’est 1 000 à 10 000 fois plus fin que ce dont nous avons généralement besoin pour induire ce type de réponse », a déclaré Lindenberg.
Applications et innovations futures
Les chercheurs sont enthousiastes à l’idée d’utiliser ces matériaux ultrafins, appelés matériaux bidimensionnels (2D), pour fabriquer des dispositifs optoélectroniques plus petits et capables de plus de fonctions. Ils envisagent de créer des dispositifs à partir de couches de structures 2D, comme des Legos empilés, a déclaré Lindenberg. Chaque structure 2D serait composée d’un matériau différent, aligné avec précision pour générer un type spécifique de réponse optique. Ces différentes structures et fonctionnalités peuvent être combinées dans des dispositifs compacts qui pourraient trouver des applications potentielles, par exemple dans l’imagerie médicale ou d’autres types de dispositifs optoélectroniques.
« Ce travail représente un autre élément dans notre boîte à outils pour manipuler les champs lumineux térahertz, ce qui pourrait à son tour permettre de nouvelles façons de contrôler les matériaux et les appareils de manière intéressante », a déclaré Lindenberg.
L'étude a été financée par le Bureau des sciences du DOE et a utilisé les ressources du Centre national de calcul scientifique pour la recherche énergétique (NERSC). Le LCLS et le NERSC sont des installations utilisatrices du Bureau des sciences du DOE.
