Plus rapide, des systèmes de stockage de données et de logique informatique plus efficaces pourraient être à l'horizon grâce à une nouvelle façon de régler les niveaux d'énergie électronique dans des films de cristal bidimensionnels, découvert par des chercheurs du MIT.

La découverte pourrait à terme ouvrir la voie au développement de dispositifs dits "valleytronic", qui exploitent la façon dont les électrons se rassemblent autour de deux états d'énergie égaux, connu sous le nom de vallées.

Les ingénieurs ont averti depuis un certain temps que nous atteignons les limites de la petite taille que nous pouvons construire des transistors électroniques conventionnels, qui sont basés sur la charge électrique des électrons.

Par conséquent, les chercheurs ont étudié l'utilité d'une propriété des électrons connue sous le nom de spin, stocker et manipuler des données ; ces technologies sont connues sous le nom de spintronique.

Mais en plus de leur charge et de leur rotation, les électrons dans les matériaux ont également un autre "degré de liberté, " connu sous le nom d'indice de vallée. C'est ce qu'on appelle parce que le tracé de l'énergie des électrons par rapport à leur quantité de mouvement donne un graphique constitué d'une courbe avec deux vallées, qui sont peuplés d'électrons lorsqu'ils se déplacent à travers un matériau.

L'exploitation de ce degré de liberté pourrait permettre de stocker et de traiter des informations dans certains matériaux en peuplant sélectivement les deux vallées avec des électrons.

Cependant, le développement de tels dispositifs valleytronic nécessite un système pour contrôler sélectivement les électrons dans les deux vallées, ce qui s'est avéré jusqu'à présent très difficile à réaliser.

Maintenant, dans un article publié aujourd'hui dans la revue Science , chercheurs dirigés par Nuh Gedik, professeur agrégé de physique au MIT, décrire une nouvelle façon d'utiliser la lumière laser pour contrôler les électrons dans les deux vallées indépendamment, dans des cristaux atomiquement minces de disulfure de tungstène.

"Les deux vallées sont exactement au même niveau d'énergie, ce qui n'est pas forcément la meilleure chose pour les applications car on veut pouvoir les régler, modifier légèrement l'énergie pour que les électrons se déplacent [de l'état d'énergie supérieur] à l'état d'énergie inférieur, " dit Gedik.

Bien que cela puisse être réalisé en appliquant un champ magnétique, même des aimants de laboratoire très puissants d'une force de 10 tesla ne sont capables de déplacer le niveau d'énergie de la vallée que d'environ 2 milliélectronvolts (meV).

Les chercheurs ont déjà montré qu'en dirigeant une impulsion laser ultrarapide, accordé à une fréquence très légèrement inférieure à la résonance du matériau, ils ont pu déplacer l'énergie de l'une des vallées grâce à un effet appelé "effet Stark optique, " tout en laissant l'autre vallée pratiquement inchangée. De cette façon, ils ont pu obtenir un changement de niveau d'énergie allant jusqu'à 20 meV.

"La lumière et les électrons à l'intérieur du matériau forment une sorte d'état hybride, qui aide à pousser les niveaux d'énergie autour, " dit Gedik.

Dans la dernière expérience, les chercheurs ont découvert qu'en réglant la fréquence du laser encore plus en dessous de la résonance, et en augmentant son intensité, ils ont pu déplacer simultanément les niveaux d'énergie des deux vallées et révéler un phénomène physique très rare.

Alors qu'une vallée se déplace toujours en raison du décalage optique Stark comme auparavant, l'autre vallée se déplace par un mécanisme différent, connu sous le nom de « décalage Bloch-Siegert », " selon Edbert Jarvis Sie, doctorant en physique au MIT, l'auteur principal du journal.

Bien que le décalage Bloch-Siegert ait été prédit pour la première fois en 1940, et peu de temps après, il a inspiré Willis Lamb à sa découverte, lauréate du prix Nobel de 1955, du décalage de Lamb dans les atomes d'hydrogène, il est resté un défi considérable de l'observer expérimentalement dans les solides.

En effet, en dehors des atomes dits artificiels, le nouveau mécanisme n'a jamais été observé dans les solides jusqu'à présent, parce que les décalages résultants étaient trop petits, dit Sie. L'expérience réalisée au Gedik Lab a produit un décalage de Bloch-Siegert de 10 meV, qui est 1, 000 fois plus grand que celui vu précédemment.

Quoi de plus, les deux effets - le décalage de Bloch-Siegert et le décalage optique de Stark - avaient auparavant tendance à se produire dans la même transition optique, ce qui signifie que les chercheurs ont eu du mal à démêler les deux mécanismes, dit Sie.

« Dans notre travail, nous pouvons démêler très naturellement les deux mécanismes, car alors qu'une vallée présente le décalage optique Stark, l'autre vallée présente le décalage Bloch-Siegert, " dit Sie. " Cela peut très bien fonctionner dans ce matériau parce que les deux mécanismes ont une relation similaire avec les deux vallées. Ils sont liés par ce qu'on appelle la symétrie de retournement du temps."

Cela devrait permettre un meilleur contrôle des propriétés valleytronic dans les matériaux bidimensionnels, dit Nuh. "Cela pourrait vous donner plus de liberté dans le réglage des vallées électroniques, " il dit.