Des scientifiques de Stanford ont produit la première image complète d’une quasi-particule insaisissable

Les scientifiques ont franchi une étape importante dans la compréhension de ces quasi-particules tourbillonnantes et dans leur mise en œuvre dans les futures technologies de semi-conducteurs.

Les chercheurs ont rapporté qu’ils avaient imagé l’électron et le trou de l’exciton pour la première fois, révélant comment les excitons peuvent être piégés dans des réseaux denses et stables. Selon les scientifiques, les découvertes ont des implications importantes pour le développement de diverses technologies futures ainsi que la quête pour mieux comprendre les excitons.

Les résultats ont été publiés le 8 mars 2022 dans la revue Nature par des chercheurs du Laboratoire national des accélérateurs SLAC du Département de l’énergie de l’Université de Stanford et de l’Institut des sciences et technologies d’Okinawa (OIST) au Japon.

“Lorsque la lumière interagit avec la matière – que ce soit en absorbant la lumière dans les dispositifs photovoltaïques pour produire de l’énergie solaire ou en créant de la lumière à partir de l’électricité dans les LED – les excitons peuvent jouer un rôle important”, a déclaré le SLAC et le professeur de Stanford Tony Heinz, qui a dirigé l’une des trois recherches. groupes qui ont collaboré à l’étude.

“Tant pour la compréhension fondamentale que pour le développement de nouvelles technologies, telles que les émetteurs de photons uniques pour la science de l’information quantique, nous avons besoin d’une image complète de la nature et des propriétés des excitons.”

Diagramme d'excitation

Les excitons ne sont techniquement pas des particules, mais des quasi-particules (quasi-signifiant « presque » en latin). Ils sont formés par l’attraction électrostatique entre des électrons excités chargés négativement et des trous chargés positivement. Les trous sont des espaces laissés par les électrons excités et sont eux-mêmes un type de quasi-particule. Crédit : OIST

Une autre application potentielle est le stockage d’informations, a déclaré Ouri Karni, scientifique du SLAC : « Les excitons absorbent et émettent de la lumière, et ils pourraient être utilisés pour stocker des informations s’ils étaient confinés dans un endroit qui ne peut héberger qu’un seul exciton à la fois. Cela nécessite qu’ils soient tous similaires les uns aux autres et qu’ils soient très bien confinés, donc les piéger est important. »

Lorsque la lumière frappe une fine feuille de matériau semi-conducteur, des excitons sont créés. Cela provoque l’éjection des électrons de leur position normale dans les atomes, produisant des lacunes appelées «trous» qui traversent le matériau de la même manière que les électrons. Un exciton se forme lorsqu’un électron et un trou forment une brève liaison. L’électron et le trou tournent l’un autour de l’autre comme des danseurs se tenant la main, et ils continuent ainsi jusqu’à ce que l’électron retombe dans le trou.

Cependant, en raison de la courte durée de vie de l’exciton – aussi peu qu’un milliardième de seconde – la recherche à leur sujet est au point mort. Plus longtemps les excitons resteront ensemble, plus les scientifiques pourront apprendre d’eux et plus ils deviendront utiles.

Regarder à l’intérieur d’un exciton

Jusqu’à récemment, le moyen de loin le plus courant d’étudier les excitons était de voir comment ils absorbent, émettent ou réfléchissent la lumière, a déclaré Keshav Dani, professeur agrégé à l’OIST qui dirige l’unité de spectroscopie femtoseconde de l’institut. Mais cette approche a des limites importantes. D’une part, certains excitons sont “sombres” dans le sens où ils n’interagissent pas avec la lumière, ils ne peuvent donc pas être étudiés de cette façon.

Dani a commencé à développer et à améliorer une méthode existante connue sous le nom de tr-ARPES – spectroscopie de photoémission résolue en angle à résolution temporelle – pour étudier les excitons et d’autres phénomènes quantiques de nouvelles manières il y a environ une décennie.

“Avec l’instrument que nous avons développé”, a-t-il dit, “nous pourrions regarder à l’intérieur de l’exciton et observer la distribution des électrons et des trous.”

Distribution de probabilité de l'électron autour du trou dans un exciton

Dans la physique du tout petit, d’étranges concepts quantiques s’appliquent. Les électrons agissent à la fois comme des particules et comme des ondes et il est donc impossible de connaître à la fois la position et la quantité de mouvement d’un électron. Au lieu de cela, le nuage de probabilité d’un exciton montre où l’électron est le plus susceptible de se trouver autour du trou. L’équipe de recherche a généré une image du nuage de probabilité de l’exciton en mesurant la fonction d’onde. Crédit : OIST

Lorsque l’instrument était prêt à fonctionner en 2019, la première chose que son groupe a faite avec lui a été de visualiser et de mesurer les excitons noirs. Ils ont également pu déterminer l’équilibre et l’interaction entre les excitons sombres et brillants dans un film atomiquement mince de matériau semi-conducteur.

À peu près à la même époque, Dani a commencé à collaborer avec Heinz et avec le professeur adjoint de Stanford Felipe da Jornada, dont les groupes de recherche avaient également étudié les excitons.

L’année dernière, l’équipe combinée a annoncé qu’elle avait obtenu la première image montrant comment l’électron est distribué par rapport au trou dans un exciton. “C’est comme découvrir à quelle distance les danseurs sont éloignés – à quelle distance leurs bras s’étirent pendant qu’ils tournoient – mais cela ne vous dit pas où ils se trouvent sur la piste de danse”, a déclaré Karni. “Pour cela, vous devez également imager le trou.”

Construire un piège à excitons

L’équipe a examiné les excitons qui se développent à l’interface de films atomiquement minces de deux semi-conducteurs distincts dans cette dernière étude. Il s’agit d’une frontière passionnante car ces excitons peuvent durer mille à un million de fois plus longtemps que ceux des couches simples.

Ils ont d’abord mesuré pour la première fois la taille du trou de l’exciton – un véritable défi car le trou est l’absence d’électron, pas une vraie particule, et il n’émet aucun signal propre. Les chercheurs ont pu identifier les trous par les lacunes distinctives qu’ils ont laissées dans les données expérimentales.

“Cela nous a permis d’obtenir une image beaucoup plus complète à la fois du mouvement de l’électron autour du trou et du mouvement de l’exciton entier”, a déclaré Elyse Barré, qui était étudiante diplômée du groupe Heinz au moment de l’étude.

Spectroscopie de motif de moiré SLAC

Lorsque deux films minces avec des motifs répétitifs sont superposés à un angle spécifique, ils produisent un motif moiré. Dans le domaine de la spectroscopie, ce modèle se traduit par des niveaux variables d’énergie électronique à travers l’échantillon, un phénomène appelé potentiel de moiré. Les chercheurs ont découvert que les excitons ont tendance à se concentrer dans les zones où l’énergie est minimale. Crédit : OIST

Ils ont ensuite entrepris de piéger les excitons en superposant des films minces de deux semi-conducteurs différents légèrement inclinés l’un par rapport à l’autre pour créer un motif moiré à l’échelle atomique. (Vous pouvez en faire vous-même une version à grande échelle en posant un écran de fenêtre au-dessus d’un autre avec un léger angle). Chaque trou dans le motif moiré est une sorte de puits d’énergie qui peut attirer et retenir un seul exciton, et les matériaux ont été conçus pour que les puits soient à peu près aussi grands que les excitons, voire légèrement plus petits.

Lorsqu’ils ont examiné les structures moirées avec tr-ARPES pour voir si et comment les excitons s’y inséraient, ils ont découvert que chaque exciton était bien ajusté dans son puits, comme une balle de golf dans un tee. C’était inattendu mais fortuit : on pensait qu’il faudrait des puits plus grands pour capturer les excitons, mais les puits plus petits sont préférés car ils sont beaucoup plus stables et forment des réseaux plus uniformes.

Grâce à cette nouvelle capacité à imager de manière complète les particules composites telles que les excitons, les collaborateurs affirment qu’ils peuvent aller de l’avant pour explorer des arrangements plus complexes d’électrons et de trous qui éclaireront la nature des interactions à plusieurs particules en 2D et dans d’autres matériaux quantiques.

“Nos collègues de l’OIST ont développé des capacités de mesure très spéciales”, a déclaré Barré, “et nous sommes chanceux d’avoir pu collaborer avec eux.”

Le scientifique de l’OIST Michael Man, l’étudiant diplômé Vivek Pareek et le chercheur postdoctoral Chakradhar Sahoo et l’étudiant diplômé de Stanford Johnathan Geogaras ont également joué un rôle clé dans ce travail. Les matériaux ont été fournis par[{” attribute=””>Columbia University and the National Institute for Materials Science in Japan. The SLAC portion of the research was funded by the DOE Office of Science, including theory and computational study through DOE’s Center for Computational Study of Excited State Phenomena in Energy Materials (C2SEPEM). Work at OIST was supported by the Okinawa Institute of Science and Technology, Graduate University and the Japan Society for the Promotion of Science.

Reference: “Structure of the moiré exciton captured by imaging its electron and hole” by Ouri Karni, Elyse Barré, Vivek Pareek, Johnathan D. Georgaras, Michael K. L. Man, Chakradhar Sahoo, David R. Bacon, Xing Zhu, Henrique B. Ribeiro, Aidan L. O’Beirne, Jenny Hu, Abdullah Al-Mahboob, Mohamed M. M. Abdelrasoul, Nicholas S. Chan, Arka Karmakar, Andrew J. Winchester, Bumho Kim, Kenji Watanabe, Takashi Taniguchi, Katayun Barmak, Julien Madéo, Felipe H. da Jornada, Tony F. Heinz, and Keshav M. Dani, 9 March 2022, Nature.
DOI: 10.1038/s41586-021-04360-y

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