Les excitons, états liés entre un électron (c'est-à-dire une particule chargée négativement) et un trou (c'est-à-dire l'absence d'un électron) dans les matériaux, sont un objectif clé des études de physique condensée. Ces états liés peuvent donner naissance à des effets physiques quantiques intéressants et rares, qui pourraient être exploités pour développer des technologies optoélectroniques et quantiques.
Au cours des dernières années, les physiciens ont observé un type particulier d'excitons, appelé excitons intercouches, dans divers matériaux à deux couches (c'est-à-dire des matériaux de bicouche). Un exciton intercouche est un état lié entre un électron et un trou qui réside dans deux couches différentes d'un matériau.
Des chercheurs de l'Université de Harvard et d'autres instituts ont récemment observé une hybridation non conventionnelle entre les excitons intercouches dans un semi-conducteur bicouche, composé de deux couches de disulfure de molybdène (MOS₂).
Leur article, publié dans Physique de la naturepourrait offrir des preuves expérimentales indirectes d'un état à plusieurs corps qui a longtemps été théorisé, mais qui n'avait pas encore été observé expérimentalement.
« Dans ce domaine des semi-conducteurs bidimensionnels, en particulier ceux basés sur des dichalcogénides de métal de transition, les chercheurs ont poursuivi deux directions de recherche majeures », a déclaré à Issues.fr Pavel E. Dolgirev, co-auteur du journal.
« Le premier est motivé par le fait qu'il s'agit de matériaux directs de bande-type hébergeant des excitons optiques (un exciton est un état lié d'un électron et d'un trou, un peu comme un atome), ce qui les rend fortement prometteurs pour les disciples électro-optiques. expérimentalement. «
Les excitons intercouches dans les structures bicouches portent un grand moment dipolaire, ce qui signifie que les charges positives et négatives dans ces matériaux sont séparées par une distance relativement grande. À la suite de ce grand moment dipolaire, les excitons sont très sensibles et sensibles aux champs électriques appliqués et au bruit sous forme de champs électriques.
« Une idée particulièrement intrigante est qu'une superposition égale de poids de tels dipôles opposés formerait un état qui ne couple plus du tout aux champs électriques », a déclaré Dolgirev.
« Dans le but de comprendre et de contrôler les propriétés de cohérence des excitons indirects, nous avons étudié l'effet brut et découvert un comportement très anormal qui émerge une fois que l'échantillon est dopé. Cette observation sous-tend notre principale conclusion sur la cohérence des électrons intercouches. »
Dans le cadre de leurs expériences, Dolgirev et ses collègues ont décidé de détecter la cohérence entre les électrons intercouches dans les MOS semi-conducteurs bicouches en utilisant une technique optique. Plus précisément, ils ont illuminé un échantillon de MOS₂ bicouche en utilisant la lumière blanche à large bande et mesuré le signal réfléchi, tout en réglant la densité électronique via une tension de porte.
« Cette approche optique est particulièrement puissante: elle nous permet de sonder sélectivement des états de spin et de vallée spécifiques à travers des transitions optiques bien définies », a expliqué Nadine Leisgang, co-auteur de l'article.
« De plus, les excitons intercouches – où l'électron et le trou résident dans différentes couches – sont très sensibles aux champs électriques et à leur environnement électronique. En analysant soigneusement comment les caractéristiques excitoniques dans les spectres réfléchis ont évolué avec la densité électronique, la température et le champ magnétique, nous avons pu identifier les signatures claires de la cohérence de l'électron de l'interface. »
Les observations expérimentales de l'équipe suggèrent que les excitons intercouches, qui sont généralement découplés, ont en fait hybridé une fois leur échantillon dopé. Cela signifie essentiellement que deux états d'exciton «mélangés», produisant des États nouveaux et partagés. L'hybridation qu'ils ont observée est très inhabituelle, mais elle pourrait ouvrir de nouvelles possibilités pour la manipulation électronique indirecte de la cohérence entre les excitons.
« Nous avons également trouvé des signatures indirectes de cohérence des électrons intercouches », a déclaré Dolgirev. « Ceci est significatif non seulement parce que la détection d'un tel état sans champ magnétique appliqué a longtemps été un défi de longue date, mais aussi parce que nous observons ces signatures (correspondant à la soi-disant stochastique anti-crossage) à des températures pouvant atteindre 75 K.
L'hybridation d'exciton observée par Dolgirev et ses collègues pourrait être un précurseur d'une condensation dite d'exciton, un état quantique collectif à long terme impliquant plusieurs paires de trous électron-liés.
Ils essaient maintenant de déterminer si une hybridation similaire peut également se produire entre les excitons dits quadripolaires dans les matériaux de tricouche, qui sont également prometteurs pour le développement de dispositifs optoélectroniques.
« De plus, nous explorons également si cette hybridation peut être rendue entièrement cohérente, plutôt que stochastique, en tordant les couches les uns par rapport aux autres », a ajouté Dolgirev.
« Selon nos conclusions, une telle torsion devrait stabiliser la phase de paramètre de commande, réduisant ainsi la stochasticité dans l'hybridation. Parallèlement, nous envisageons également des expériences qui peuvent éclairer plus sur l'état électronique sous-jacent à plusieurs corps. »
La synthèse de matériaux semi-conducteurs de plus en plus propres qui présentent une gamme plus large de propriétés de transport des transporteurs pourraient également aider à valider les conclusions de l'équipe à l'avenir. Par exemple, les expériences dits de contre-flux avec des matériaux plus propres pourraient produire une signature directe de la cohérence de l'électron intercouche qu'ils ont indirectement observée dans le cadre de leur étude récente.
Écrit pour vous par notre auteur Ingrid Fadelli, édité par Sadie Harley, et vérifié et révisé par Robert Egan – cet article est le résultat d'un travail humain minutieux. Nous comptons sur des lecteurs comme vous pour garder le journalisme scientifique indépendant en vie. Si ce rapport vous importe, veuillez considérer un don (surtout mensuel). Vous obtiendrez un sans publicité compte comme un remerciement.
