Il est prouvé que les impulsions lumineuses ultracourtes ne peuvent être distinguées de l'éclairage continu, en termes de contrôle des états électroniques du matériau atomiquement mince disulfure de tungstène (WS2).

Une nouvelle étude dirigée par Swinburne prouve que des impulsions lumineuses ultracourtes peuvent être utilisées pour conduire des transitions vers de nouvelles phases de la matière, aider à la recherche de futurs Floquet, électronique basse consommation.

Il existe un intérêt significatif pour le contrôle transitoire de la structure de bande d'un semi-conducteur monocouche en utilisant des impulsions lumineuses ultra-courtes pour créer et contrôler de nouvelles phases exotiques de la matière.

Les états temporaires résultants connus sous le nom d'états de Floquet-Bloch sont intéressants du point de vue de la recherche pure ainsi que pour une nouvelle classe de transistor proposée basée sur les isolants topologiques de Floquet (FTI).

Dans une découverte importante, les impulsions lumineuses ultra-courtes nécessaires à la détection de la formation des états de Floquet se sont avérées aussi efficaces pour déclencher l'état que l'illumination continue, une question importante qui, jusqu'à maintenant, avait été largement ignoré.

Une onde continue ou des impulsions ultracourtes :le problème du temps

Physique du Floquet, qui a été utilisé pour prédire comment un isolant peut être transformé en un FTI, repose sur un champ purement sinusoïdal, c'est-à-dire continu, éclairage monochromatique (longueur d'onde unique) qui n'a ni début ni fin.

Pour observer cette transition de phase, cependant, seules les impulsions ultracourtes offrent des intensités de crête suffisantes pour produire un effet détectable. Et là, c'est le hic.

L'activation ou la désactivation de la source de lumière la plus pure introduit une large gamme de fréquences supplémentaires dans le spectre de la lumière ; plus la commutation est brutale, plus le spectre est large. Par conséquent, les impulsions ultracourtes comme celles utilisées ici ne sont pas conformes aux hypothèses sur lesquelles repose la physique de Floquet.

"Les impulsions ultracourtes sont à peu près aussi loin que possible d'une onde monochromatique, ", explique le Dr Stuart Earl de l'Université de technologie de Swinburne (Australie).

"Toutefois, nous avons maintenant montré que même avec des impulsions plus courtes que 15 cycles optiques (34 femtosecondes, ou 34 millionièmes de milliardième de seconde), ça n'a pas d'importance."

La spectroscopie pompe-sonde d'une monocouche atomique provoque une réponse instantanée

Dr Earl, avec des collaborateurs de l'Australian National University et de l'ARC Center for Future Low-Energy Electronic Technologies (FLEET), soumis une monocouche atomique de bisulfure de tungstène (WS 2 ) aux impulsions lumineuses de durée variable mais de même énergie totale, modifier l'intensité du pic de manière contrôlée.

WS 2 est un dichalcogénure de métal de transition (TMD), une famille de matériaux étudiés pour une utilisation dans l'électronique future « au-delà du CMOS ».

L'équipe a utilisé la spectroscopie pompe-sonde pour observer un changement transitoire de l'énergie de l'exciton A de WS 2 grâce à l'effet optique Stark (la réalisation la plus simple de la physique de Floquet). Grâce à leur utilisation d'une impulsion de pompe sous-bande interdite, le signal qu'ils ont mesuré, qui n'a duré qu'aussi longtemps que le pouls lui-même, était due aux interactions entre l'équilibre et les états virtuels habillés de photons au sein de l'échantillon.

« Cela peut sembler étrange que nous puissions exploiter des états virtuels pour manipuler une transition réelle », déclare le Dr Earl. "Mais parce que nous avons utilisé une impulsion de pompe sous-bande interdite, aucun État réel n'a été peuplé."

« Le WS 2 a répondu instantanément, mais plus significativement, sa réponse dépendait linéairement de l'intensité instantanée de l'impulsion, comme si nous avions allumé un champ monochromatique infiniment lentement, C'est, adiabatique" explique le professeur Jeff Davis, également à l'Université de technologie de Swinburne. « Ce fut une découverte passionnante pour notre équipe. Malgré les impulsions extrêmement courtes, les états du système sont restés cohérents."

Une perturbation adiabatique est une perturbation introduite extrêmement lentement, pour que les états du système aient le temps de s'adapter, une exigence cruciale pour les FTI. Alors que les impulsions ultracourtes ne devraient pas être compatibles avec cette exigence, ce résultat montre clairement que pour ces monocouches atomiques, ils font. Cela permet maintenant à l'équipe d'attribuer à l'échantillon toute preuve de comportement non adiabatique, plutôt qu'à leur expérience.

Ces découvertes permettent désormais à l'équipe FLEET d'explorer les états de Floquet-Bloch dans ces matériaux avec une impulsion supérieure à la bande interdite, lequel, théoriquement, devrait conduire le matériau dans la phase exotique connue sous le nom d'isolant topologique Floquet. La compréhension de ce processus devrait ensuite aider les chercheurs à incorporer ces matériaux dans une nouvelle génération de bande passante élevée, et potentiellement ultrarapide, transistors.

Les systèmes présentant un transport sans dissipation lorsqu'ils sont hors d'équilibre sont étudiés dans le cadre du thème de recherche 3 de FLEET, à la recherche de nouveauté, électronique ultra basse consommation pour faire face à la montée, énergie non durable consommée par le calcul (déjà 8% de l'électricité mondiale, et doublant tous les dix ans).