Une nouvelle approche pour contrôler les forces et les interactions entre atomes et molécules, tels que ceux employés par les geckos pour escalader des surfaces verticales, pourrait apporter des avancées dans de nouveaux matériaux pour le développement de sources de lumière quantique.

"Les atomes et molécules rapprochés de notre environnement interagissent constamment, s'attirant et se repoussant, " dit Zubin Jacob, professeur adjoint de génie électrique et informatique à l'Université Purdue. « De telles interactions permettent finalement une myriade de phénomènes, tels que les coussinets collants sur les pieds de gecko, ainsi que la photosynthèse."

Typiquement, ces interactions se produisent lorsque les atomes et les molécules sont distants de 1 à 10 nanomètres, soit environ 1/10, 000e de la largeur d'un cheveu humain.

« Ceux-ci incluent les forces de Van der Waals qui ont lieu entre les atomes et les molécules uniquement lorsqu'elles sont très proches les unes des autres. Le fait qu'elles nécessitent toujours des distances de séparation extrêmement courtes les rend difficiles à contrôler. Cela constitue un obstacle majeur à leur exploitation pour des applications pratiques, " il a dit.

Pendant de brèves périodes, on dit que les atomes possèdent des "dipôles fluctuants" parce que leurs charges positives et négatives sont momentanément séparées. Les dipôles de nombreux atomes et molécules interagissent parfois entre eux, et ces interactions dipôle-dipôle sont à la base de Van der Waals et d'autres forces entre les atomes et les molécules étroitement espacés.

Les chercheurs ont démontré que ces interactions dipôle-dipôle sont fondamentalement altérées à l'intérieur des matériaux dits bidimensionnels, tels que le nitrure de bore hexagonal et le phosphore noir, matériaux d'une épaisseur constituée de quelques couches atomiques seulement. Ils ont également montré qu'il est possible de réaliser les interactions dipôle-dipôle même lorsque les atomes et les molécules sont relativement éloignés, avec une séparation approchant le micron, ou 100 fois plus éloignées que ce qui serait normalement nécessaire. Cette plus grande distance représente le potentiel d'application pratique du phénomène pour les sources optiques.

Les résultats sont détaillés dans un article publié plus tôt cette année dans la revue Communication Nature . L'article a été rédigé par le doctorant Cristian L. Cortes et Jacob.

"Notre objectif principal était d'essayer de comprendre s'il est possible de contrôler et de manipuler ce genre d'interactions, " Cortes a dit. " Ce que nous avons trouvé, c'est qu'en manipulant soigneusement les propriétés des matériaux, il est possible de modifier de manière significative la force et la portée spatiale de ces interactions. Nous avons découvert que les matériaux dits hyperboliques permettent en fait des interactions à très longue portée contrairement à tout autre matériau conventionnel."

Les interactions dipôle-dipôle amènent également de nombreux atomes et molécules fluorescents à émettre de la lumière de manière synchronisée. Ordinairement, les molécules fluorescentes émettent de la lumière dans des flashs aléatoires et spontanés. Cependant, les matériaux peuvent être conçus pour arbitrer les interactions afin que l'émission devienne synchronisée, clignotant à l'unisson, et augmenter considérablement le rendement lumineux dans un phénomène appelé super-radiance.

Les matériaux bidimensionnels hyperboliques sont conçus pour induire cette super-radiance entre des émetteurs quantiques fluorescents placés loin les uns des autres.

"Lorsqu'ils interagissent à travers ces matériaux, ils peuvent s'enfermer l'un dans l'autre comme deux pendules parfaitement synchronisés, " dit Jacob.

On dit que les matériaux « interagissent fortement » en raison de l'effet dipôle-dipôle à longue portée.

Les interactions "à longue portée" pourraient rendre possibles de nouveaux types de sources lumineuses qui exploitent la super-radiance. Un autre objectif ambitieux est de construire des simulateurs quantiques à l'aide d'un réseau d'émetteurs interactifs pour imiter les « interactions de Coulomb » ou les « interactions de spin » entre les électrons d'un matériau.

Bien que le Communication Nature article se concentre sur la théorie, les chercheurs ont également suggéré plusieurs méthodes expérimentales pour valider la théorie. Ils réalisent une expérience utilisant des matériaux 2D hyperboliques au Birck Nanotechnology Center dans le Discovery Park de Purdue.