Tout ce que nous vivons est fait de lumière et de matière. Et l'interaction entre les deux peut produire des effets fascinants. Par exemple, il peut en résulter la formation de quasi-particules spéciales, appelés polaritons, qui sont une combinaison de lumière et de matière. Une équipe du Centre de Physique Théorique des Systèmes Complexes, au sein de l'Institut des sciences fondamentales (IBS), modélisé le comportement des polaritons dans les microcavités, nanostructures constituées d'un matériau semi-conducteur pris en sandwich entre des miroirs spéciaux (miroirs de Bragg). Publié dans Rapports scientifiques , cette recherche apporte de nouvelles idées au domaine émergent de la valleytronics.

Issu du couplage de la lumière (photons) et de la matière (état lié des électrons et des trous appelés excitons), les polaritons ont des caractéristiques de chacun. Ils se forment lorsqu'un faisceau lumineux d'une certaine fréquence rebondit à l'intérieur de microcavités, provoquant l'interconversion rapide entre la lumière et la matière et aboutissant à des polaritons à courte durée de vie. "Vous pouvez imaginer ces quasiparticules comme des vagues que vous faites dans l'eau, ils se déplacent harmonieusement, mais ils ne durent pas très longtemps. La courte durée de vie des polaritons dans ce système est due aux propriétés des photons, " explique M. Meng Sun, premier auteur de l'étude.

Les chercheurs étudient les polaritons dans les microcavités pour comprendre comment leurs caractéristiques pourraient être exploitées pour surpasser les technologies actuelles des semi-conducteurs. Lecture optoélectronique moderne, traiter, et stocker des informations en contrôlant le flux de particules, mais à la recherche de nouvelles alternatives plus efficaces, d'autres paramètres, comme les soi-disant « vallées » pourraient être envisagées. Les vallées peuvent être visualisées en traçant l'énergie des polaritons par rapport à leur quantité de mouvement. Valleytronics vise à contrôler les propriétés des vallées dans certains matériaux, comme les dichalcogénures de métaux de transition (TMDC), arséniure d'indium gallium aluminium (InGaAlAs), et le graphène.

Pouvoir manipuler leurs caractéristiques conduirait à des vallées accordables avec deux états clairement différents, correspondant par exemple à 1 bit et 0 bit, comme les états on-off de l'informatique et des communications numériques. Une façon de distinguer les vallées de même niveau d'énergie est d'obtenir des vallées de polarisation différente, de sorte que les électrons (ou polaritons) occuperaient préférentiellement une vallée par rapport aux autres. Les scientifiques de l'IBS ont généré un modèle théorique pour la polarisation de la vallée qui pourrait être utile pour l'électronique de la vallée.

Bien que les polaritons soient formés par le couplage de photons et d'excitons, l'équipe de recherche a modélisé les deux composants indépendamment. "La modélisation des profils potentiels des photons et des excitons séparément est la clé pour trouver où ils se chevauchent, puis déterminer les positions d'énergie minimale où se produisent les vallées, " fait remarquer Sun.

Une caractéristique cruciale de ce système est que les polaritons peuvent hériter de certaines propriétés, comme la polarisation. Des vallées de polarisation différente se forment spontanément lorsque la séparation des modes électroniques et magnétiques transversaux (c'est-à-dire perpendiculaires) du faisceau lumineux est prise en compte (séparation TE-TM).

Étant donné que ce modèle théorique prédit que les vallées de polarisation opposée peuvent être distinguées et réglées, en principe, différentes vallées pourraient être sélectivement excitées par une lumière laser polarisée, conduisant à une application possible en valleytronics.