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    Des scientifiques inventent une technique pour cartographier l'énergie et la quantité de mouvement des électrons sous la surface d'un matériau

    Spectres mesurés. Crédit: Science (2017). 10.1126/science.aam7073

    Pour la première fois, les physiciens ont mis au point une technique qui permet de scruter profondément sous la surface d'un matériau pour y identifier les énergies et les impulsions des électrons.

    L'énergie et la quantité de mouvement de ces électrons, connue sous le nom de "structure de bande" d'un matériau, " sont des propriétés clés qui décrivent comment les électrons se déplacent à travers un matériau. En fin de compte, la structure de la bande détermine les propriétés électriques et optiques d'un matériau.

    L'équipe, au MIT et à l'Université de Princeton, a utilisé la technique pour sonder une feuille semi-conductrice d'arséniure de gallium, et a cartographié l'énergie et la quantité de mouvement des électrons dans tout le matériau. Les résultats sont publiés aujourd'hui dans la revue Science .

    En visualisant la structure de la bande, non seulement à la surface mais à travers un matériau, les scientifiques peuvent être en mesure de mieux identifier, matériaux semi-conducteurs plus rapides. Ils pourront également observer les étranges interactions électroniques qui peuvent donner lieu à la supraconductivité au sein de certains matériaux exotiques.

    "Les électrons circulent constamment dans un matériau, et ils ont un certain élan et une certaine énergie, " dit Raymond Ashoori, professeur de physique au MIT et co-auteur de l'article. "Ce sont des propriétés fondamentales qui peuvent nous dire quel type d'appareils électriques nous pouvons fabriquer. Une grande partie de l'électronique importante dans le monde existe sous la surface, dans ces systèmes que nous n'avons pas pu approfondir jusqu'à présent. Nous sommes donc très excités, les possibilités ici sont assez vastes."

    Les co-auteurs d'Ashoori sont le postdoctorant Joonho Jang et l'étudiant diplômé Heun Mo Yoo, avec Loren Pfeffer, Ken West, et Kirk Baldwin, de l'Université de Princeton.

    Des images sous la surface

    À ce jour, les scientifiques n'ont pu mesurer que l'énergie et la quantité de mouvement des électrons à la surface d'un matériau. Faire cela, ils ont utilisé la spectroscopie de photoémission à résolution angulaire, ou ARPES, une technique standard qui utilise la lumière pour exciter les électrons et les faire jaillir de la surface d'un matériau. Les électrons éjectés sont capturés, et leur énergie et leur quantité de mouvement sont mesurées dans un détecteur. Les scientifiques peuvent ensuite utiliser ces mesures pour calculer l'énergie et la quantité de mouvement des électrons dans le reste du matériau.

    Les scientifiques du MIT ont trouvé un moyen de visualiser le comportement des électrons sous la surface d'un matériau. La technique de l'équipe est basée sur l'effet tunnel de la mécanique quantique, un processus par lequel les électrons peuvent traverser les barrières énergétiques en apparaissant simplement de l'autre côté. Dans cette image, les chercheurs montrent les spectres d'effet tunnel mesurés à différentes densités, avec des mensurations hautes en rouge. Crédit : Institut de technologie du Massachusetts

    "[ARPES] est merveilleux et a très bien fonctionné pour les surfaces, " dit Ashoori. " Le problème est que, il n'y a aucun moyen direct de voir ces structures de bandes dans les matériaux."

    En outre, ARPES ne peut pas être utilisé pour visualiser le comportement des électrons dans des isolants, des matériaux dans lesquels le courant électrique ne circule pas librement. ARPES ne fonctionne pas non plus dans un champ magnétique, ce qui peut grandement altérer les propriétés électroniques à l'intérieur d'un matériau.

    La technique développée par l'équipe d'Ashoori reprend là où ARPES s'arrête et permet aux scientifiques d'observer les énergies et les impulsions des électrons sous les surfaces des matériaux, y compris dans des isolants et sous champ magnétique.

    "Ces systèmes électroniques, de par leur nature, existent sous la surface, et nous voulons vraiment les comprendre, " dit Ashoori. " Maintenant, nous sommes en mesure d'obtenir ces images qui n'ont jamais été créées auparavant. "

    Tunnel à travers

    La technique de l'équipe s'appelle la spectroscopie tunnel résolue en quantité de mouvement et en énergie, ou MERTS, et est basé sur l'effet tunnel de la mécanique quantique, un processus par lequel les électrons peuvent traverser les barrières énergétiques en apparaissant simplement de l'autre côté - un phénomène qui ne se produit jamais dans le macroscopique, monde classique dans lequel nous habitons. Cependant, à l'échelle quantique des atomes et des électrons individuels, des effets bizarres tels que l'effet tunnel peuvent parfois se produire.

    "Ce serait comme si vous étiez à vélo dans une vallée, et si vous ne pouvez pas pédaler, vous ne feriez que rouler d'avant en arrière. Tu n'irais jamais de la colline à la prochaine vallée, " dit Ashoori. " Mais avec la mécanique quantique, peut-être une fois sur quelques milliers ou millions de fois, vous apparaîtriez juste de l'autre côté. Cela n'arrive pas de manière classique."

    Ashoori et ses collègues ont utilisé un tunnel pour sonder une feuille bidimensionnelle d'arséniure de gallium. Au lieu de faire briller de la lumière pour libérer des électrons d'un matériau, comme le font les scientifiques avec l'ARPES, l'équipe a décidé d'utiliser l'effet tunnel pour envoyer des électrons.

    L'équipe a mis en place un système électronique bidimensionnel connu sous le nom de puits quantique. Le système se compose de deux couches d'arséniure de gallium, séparés par une fine barrière en un autre matériau, arséniure d'aluminium et de gallium. Les chercheurs ont ensuite appliqué des impulsions électriques pour éjecter des électrons de la première couche d'arséniure de gallium et dans la deuxième couche. Ils ont estimé que les électrons capables de pénétrer dans la deuxième couche d'arséniure de gallium l'ont fait parce que leur impulsion et leurs énergies coïncidaient avec celles des états électroniques de cette couche. Crédit : Institut de technologie du Massachusetts

    L'équipe a mis en place un système électronique bidimensionnel connu sous le nom de puits quantique. Le système se compose de deux couches d'arséniure de gallium, séparés par une fine barrière en un autre matériau, arséniure d'aluminium et de gallium. Ordinairement dans un tel système, les électrons de l'arséniure de gallium sont repoussés par l'arséniure de gallium et d'aluminium, et ne traverserait pas la couche barrière.

    "Toutefois, en mécanique quantique, de temps en temps, un électron passe juste à travers, " dit Jang.

    Les chercheurs ont appliqué des impulsions électriques pour éjecter des électrons de la première couche d'arséniure de gallium et dans la deuxième couche. Chaque fois qu'un paquet d'électrons traversait la barrière, l'équipe a pu mesurer un courant à l'aide d'électrodes à distance. Ils ont également réglé la quantité de mouvement et l'énergie des électrons en appliquant un champ magnétique perpendiculaire à la direction de l'effet tunnel. Ils ont estimé que les électrons capables de pénétrer dans la deuxième couche d'arséniure de gallium l'ont fait parce que leur impulsion et leurs énergies coïncidaient avec celles des états électroniques de cette couche. En d'autres termes, la quantité de mouvement et l'énergie des électrons entrant dans l'arséniure de gallium étaient les mêmes que celles des électrons résidant dans le matériau.

    En réglant les impulsions électroniques et en enregistrant les électrons qui sont passés de l'autre côté, les chercheurs ont pu cartographier l'énergie et la quantité de mouvement des électrons dans le matériau. Bien qu'existant dans un solide et entouré d'atomes, ces électrons peuvent parfois se comporter comme des électrons libres, mais avec une "masse effective" qui peut être différente de la masse des électrons libres. C'est le cas des électrons dans l'arséniure de gallium, et la distribution résultante a la forme d'une parabole. La mesure de cette parabole donne une mesure directe de la masse effective de l'électron dans le matériau.

    Exotique, phénomènes invisibles

    Les chercheurs ont utilisé leur technique pour visualiser le comportement des électrons dans l'arséniure de gallium dans diverses conditions. Dans plusieurs essais expérimentaux, ils ont observé des "plis" dans la parabole résultante, qu'ils interprétaient comme des vibrations à l'intérieur du matériau.

    "Les atomes de gallium et d'arsenic aiment vibrer à certaines fréquences ou énergies dans ce matériau, " dit Ashoori. " Quand nous avons des électrons autour de ces énergies, ils peuvent exciter ces vibrations. Et nous avons pu le voir pour la première fois, dans les petits défauts qui sont apparus dans le spectre."

    Ils ont également mené les expériences sous une seconde, champ magnétique perpendiculaire et ont pu observer des changements dans le comportement des électrons à des intensités de champ données.

    Les chercheurs ont également constaté que, sous certaines intensités de champ magnétique, la parabole ordinaire ressemblait à deux beignets empilés. Ils ont réalisé que la distribution anormale était le résultat de l'interaction des électrons avec les ions vibrants dans le matériau. Crédit : Institut de technologie du Massachusetts

    « Dans un champ perpendiculaire, les paraboles ou énergies deviennent des sauts discrets, comme un champ magnétique fait tourner les électrons en rond à l'intérieur de cette feuille, " dit Ashoori.

    "Cela n'a jamais été vu auparavant."

    Les chercheurs ont également constaté que, sous certaines intensités de champ magnétique, la parabole ordinaire ressemblait à deux beignets empilés.

    "C'était vraiment un choc pour nous, " dit Ashoori.

    Ils ont réalisé que la distribution anormale était le résultat de l'interaction des électrons avec les ions vibrants dans le matériau.

    « Dans certaines conditions, nous avons découvert que nous pouvons faire interagir si fortement les électrons et les ions, avec la même énergie, qu'elles ressemblent à une sorte de particules composites :une particule plus une vibration ensemble, " dit Jang.

    En développant davantage, Ashoori explique que "c'est comme un avion, voyager à une certaine vitesse, puis heurter la barrière sonique. Maintenant, il y a cette chose composite de l'avion et du bang sonique. Et nous pouvons voir ce genre de bang sonique - nous atteignons cette fréquence vibratoire, et il y a une secousse qui se passe là-bas."

    L'équipe espère utiliser sa technique pour explorer encore plus exotique, phénomènes invisibles sous la surface du matériau.

    "Les électrons sont censés faire des choses amusantes comme se regrouper en petites bulles ou rayures, " Dit Ashoori. "Ce sont des choses que nous espérons voir avec notre technique de creusement de tunnels. Et je pense que nous avons le pouvoir de le faire."

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