Par le ministère américain de l’énergie
22 juin 2023
Des recherches ont mis en évidence les propriétés uniques des excitons absorbant la lumière dans les semi-conducteurs bidimensionnels de disulfure de tungstène (WS2), un type de dichalcogénures de métaux de transition (TMD). Ces états d’excitons, qui changent rapidement, peuvent désormais être imagés et suivis séparément, ce qui permet de mieux comprendre leurs mécanismes de couplage, qui peuvent diverger des théories actuelles.
Des chercheurs ont découvert de nouvelles propriétés dans les excitons des semi-conducteurs à base de disulfure de tungstène, ce qui leur permet de suivre différents états quantiques à l’aide d’une nouvelle technique. Ces résultats remettent en question les théories actuelles et pourraient favoriser les progrès en matière de nanotechnologie et de détection quantique.
Sommaire
The Science
Lorsque certains semi-conducteurs absorbent la lumière, des excitons (ou paires de particules composées d’un électron lié à un trou électronique) peuvent se former. Les cristaux bidimensionnels de disulfure de tungstène (WS2) présentent des états d’excitons uniques que l’on ne trouve pas dans d’autres matériaux. Toutefois, ces états sont de courte durée et peuvent passer d’un état à l’autre très rapidement. Les scientifiques ont mis au point une nouvelle approche pour créer des images distinctes de ces états quantiques individuels. En suivant les états quantiques individuels, les chercheurs ont montré que les mécanismes de couplage qui conduisent au mélange des états peuvent ne pas correspondre entièrement aux théories actuelles.
À gauche, des impulsions lumineuses ultrarapides excitent et sondent un minuscule échantillon de WS2 d’une couche d’atomes d’épaisseur, émettant des électrons qui sont collectés par un nouveau détecteur appelé microscope à momentum. À droite, distribution tridimensionnelle complète de l’énergie et du momentum des électrons émis. Crédit : Université de Stony Brook
L’impact
Les dichalcogénures de métaux de transition, la famille de cristaux qui comprend le disulfure de tungstène, suscitent l’enthousiasme des scientifiques parce qu’ils absorbent fortement la lumière malgré leur épaisseur de quelques atomes seulement. Les chercheurs pourraient utiliser ces cristaux pour construire de nouvelles cellules solaires à l’échelle nanométrique ou des capteurs électroniques. Grâce à une nouvelle technique appelée microscopie à élan résolue dans le temps, les chercheurs peuvent désormais mieux suivre les transitions entre les différents états quantiques des excitons. Cette technique est largement applicable, de sorte que les scientifiques peuvent maintenant placer d’autres matériaux et dispositifs de la prochaine génération sous ce microscope à momentum pour voir comment ils fonctionnent.
Résumé
Divers états d’exciton induits par la lumière peuvent se former dans des dichalcogénures de métaux de transition (TMD) monocouches comme le WS2 dans différentes conditions. La variation de la longueur d’onde ou de la puissance de la lumière d’excitation ou de la température du cristal permet à différents états d’exciton de se former ou de persister. La lumière polarisée circulairement, où la direction du champ électrique tourne autour de la direction de l’onde lumineuse, peut créer sélectivement des excitons avec une configuration de spin quantique donnée dans un ensemble spécifique de bandes d’énergie. Des chercheurs de l’université de Stony Brook ont mis au point un instrument unique permettant de visualiser directement cet effet dans différentes conditions d’excitation lumineuse ultrarapide et de démêler le mélange complexe d’états quantiques qui peut se former.
Ces nouvelles découvertes montrent comment la force qui lie l’électron et le trou électronique dans l’exciton contribue également au couplage très rapide, ou au mélange, de différents états de l’exciton. Les chercheurs ont démontré que cet effet permet de mélanger des excitons ayant des configurations de spin différentes tout en conservant l’énergie et la quantité de mouvement dans le processus de couplage. De manière surprenante, les résultats ont montré que le taux de mélange des excitons ne dépendait pas de l’énergie des excitons, comme les chercheurs l’avaient prédit auparavant. Cette étude apporte un soutien expérimental crucial à certaines théories actuelles sur le couplage des excitons dans les TMD, mais met également en lumière d’importantes divergences. La compréhension de l’interaction entre ces états d’exciton est une étape clé vers l’exploitation du potentiel des TMD pour la nanotechnologie et la détection quantique.
Référence : « Momentum-Resolved Exciton Coupling and Valley Polarization Dynamics in Monolayer WS2 » par Alice Kunin, Sergey Chernov, Jin Bakalis, Ziling Li, Shuyu Cheng, Zachary H. Withers, Michael G. White, Gerd Schönhense, Xu Du, Roland K. Kawakami et Thomas K. Allison, 27 janvier 2023, Physical Review Letters.
DOI: 10.1103/PhysRevLett.130.046202
Ce document est principalement basé sur des travaux soutenus par le Bureau des sciences du Département de l’énergie (DOE), Bureau des sciences énergétiques fondamentales. Cette recherche a également été soutenue par l’Air Force Office of Scientific Research, la National Science Foundation, le DOE Office of Science, Office of Basic Energy Sciences, Chemical Sciences, Geosciences, and Biosciences Division and the Catalysis Science Program, et le National Science Foundation Graduate Research Fellowship Program.