Il y a un gros problème avec la technologie quantique – c'est minuscule. Les propriétés distinctives qui existent à l'échelle subatomique disparaissent généralement à des échelles macroscopiques, ce qui rend difficile d'exploiter leurs capacités de détection et de communication supérieures pour les applications du monde réel, comme les systèmes optiques et l'informatique avancée.
Maintenant, cependant, une équipe internationale dirigée par des physiciens de Penn State et de l'Université Columbia a développé une nouvelle approche pour maintenir des caractéristiques quantiques spéciales, même dans des matériaux tridimensionnels (3D).
Les chercheurs ont publié leurs résultats dans Matériaux de la nature.
« Bien que les fonctionnalités affichées par les matériaux bidimensionnelles (2D) soient vastes et que leur potentiel soit révolutionnaire, le maintien de leurs propriétés supérieures au-delà de la limite 2D reste un défi formidable », a déclaré le premier auteur Yinming Shao, professeur adjoint de physique à Penn State, expliquant que Ces matériaux sont généralement des cristaux qui ne sont qu'un atome d'épaisseur et peuvent être appliqués dans une variété de modes, y compris pour l'électronique flexible, le stockage d'énergie et le quantum technologies.
« La réalisation, la compréhension et le contrôle du confinement à l'échelle nanométrique sont donc cruciaux à la fois pour l'exploration de la physique quantique et des technologies quantiques futures. »
L'équipe a examiné les quasiparticules appelées excitons, qui ont des propriétés optiques uniques et peuvent transporter de l'énergie sans charge électrique, dans un matériau semi-conducteur.
Les semi-conducteurs – qui sont omniprésents à travers les ordinateurs, les téléphones et autres électroniques – conduisent l'électricité dans certaines conditions et l'inhibent sous d'autres.
Les excitons sont produits lorsque la lumière frappe un semi-conducteur, dynamisant un électron pour passer au niveau d'énergie suivant. L'électron excité qui en résulte et le trou qui lui laissent sont appelés conjointement comme un exciton. Les excitons se produisent de manière homogène à travers des semi-conducteurs 3D typiques, comme le silicium.
« Mais l'énergie de liaison pour les excitons dans les matériaux en vrac comme le silicium est généralement petite, ce qui signifie qu'elle n'est pas très stable et qu'elle n'est pas facile à observer », a déclaré Shao, expliquant que les excitons sont les plus stables et ne présentent des propriétés supérieures que dans les monocouches 2D.
La méthode conventionnelle pour préparer des matériaux 2D a été développée en 2004 et a conduit à la découverte du graphène, une seule couche de carbone hautement conductrice et plus forte que l'acier. Le processus est simple, mais à forte intensité de main-d'œuvre, car chaque couche doit être exfoliée à partir d'un cristal en vrac en appliquant un morceau de ruban adhésif et en le décollant.
Dans cet état mince et 2D, les excitons peuvent transporter de l'énergie sans charge, ainsi que d'émettre de la lumière lorsque son électron et son trou se recombinent, qui, selon Shao, est utile pour les applications optiques avancées. Cependant, pour préserver ces propriétés dans des matériaux suffisamment importants pour de telles applications, les chercheurs devraient produire un grand nombre de couches.
Pour ce faire sans peler et empiler chaque couche à la main, les chercheurs se sont tournés vers un autre aspect de la physique: le magnétisme. Plus précisément, ils se sont concentrés sur le bromure de sulfure de chrome (CRSBR), un semi-conducteur magnétique en couches qui co-auteur Xavier Roy, professeur de chimie à l'Université de Columbia, a recherché de manière approfondie et développée depuis 2020.
À température ambiante, le CRSBR agit comme un semi-conducteur normal tout comme le silicium. Le refroidissement CRSBR jusqu'à environ -223 degrés Fahrenheit, l'amène à un état fondamental ou à l'état de l'énergie la plus basse. Cela le transforme en un système antiferromagnétique, dans lequel les moments magnétiques – généralement appelés «spin» – des particules du système s'alignent dans un modèle régulier et répétant.
Plus précisément pour le CRSBR, cet ordre antiferromagnétique garantit que chaque couche alterne son alignement magnétique, annulant efficacement un moment magnétique et rendant le matériau insensible aux forces magnétiques externes.
En conséquence, les excitons ont tendance à rester dans la couche avec la même rotation, plutôt que de sauter vers les couches voisines avec les tours opposés. Comme les voitures sur des rues à sens unique alternées, ces limites établies gardent des excitons confinées à la couche avec laquelle ils partagent les mêmes directions de spin.
« Il s'agit d'une approche efficace pour créer une seule couche de matériau atomique sans l'exfolier, tout en préservant une interface nette », a déclaré Shao. « Cela signifie que nous pourrions obtenir le même comportement d'excitons confinés démontrés dans les matériaux 2D dans un matériau en vrac. »
En utilisant des techniques de spectroscopie optique, une modélisation théorique et un calcul, les chercheurs ont déterminé que ce confinement magnétique maintenait fermement, peu importe le nombre de couches dans le système et quelle que soit la couche qu'ils confinés, y compris les couches de surface.
« Nous avons fait beaucoup de travail pour vérifier que cela se passe réellement, et c'est le cas », a déclaré Shao.
La constatation de l'équipe de Shao a été corroborée par un autre groupe de recherche en Allemagne – Florian Dirnberger et Alexey Chernikov de l'Université de technologie de Tud Dresde – qui enquêtait sur la même bizarrerie des semi-conducteurs magnétiques. Les deux groupes ont décidé de comparer les notes, a déclaré Shao, et a constaté qu'ils étaient tous arrivés à la même conclusion.
« Nos données s'alignent très bien, ce qui est remarquable car nous avons utilisé deux matériaux cristallins différents dans différents laboratoires », a déclaré Shao. « Nos résultats sont en accord les uns avec les autres et s'alignent bien avec les prédictions théoriques, nous avons donc écrit ce document conjoint. »
Le résultat aligné est venu de l'exploitation des comportements du magnétisme, des interactions et des excitons de van der Waals, selon Shao, pour atteindre le confinement quantique avec des applications potentielles pour les systèmes optiques et les technologies quantiques.
« Le mariage de ces différents aspects de la physique était un aspect crucial de cette découverte », a déclaré Shao.
