Zhe Fei montra les lignes verticales claires et sombres qui traversaient son écran d'ordinateur. Cette nano-image, il expliqua, montre les ondes associées à une pénombre, quasiparticule de demi-matière se déplaçant à l'intérieur d'un semi-conducteur.

"Ce sont des vagues tout comme les vagues de l'eau, " dit Fei, professeur adjoint de physique et d'astronomie à l'Iowa State University et associé du laboratoire Ames du département américain de l'Énergie. "C'est comme laisser tomber une pierre à la surface de l'eau et voir des vagues. Mais ces vagues sont des excitons-polaritons."

Les excitons-polaritons sont une combinaison de lumière et de matière. Comme toutes les quasi-particules, ils sont créés dans un solide et ont des propriétés physiques telles que l'énergie et la quantité de mouvement. Dans cette étude, ils ont été lancés en projetant un laser sur la pointe acérée d'un système de nano-imagerie visant un mince flocon de diséléniure de molybdène (MoSe2), un semi-conducteur en couches qui supporte les excitons.

Des excitons peuvent se former lorsque la lumière est absorbée par un semi-conducteur. Lorsque les excitons se couplent fortement avec les photons, ils créent des excitons-polaritons.

C'est la première fois que des chercheurs réalisent des images dans l'espace réel d'excitons-polaritons. Fei a déclaré que des projets de recherche antérieurs ont utilisé des études spectroscopiques pour enregistrer des excitons-polaritons sous forme de pics ou de creux de résonance dans les spectres optiques. Jusqu'à ces dernières années, la plupart des études n'ont observé les quasiparticules qu'à des températures extrêmement froides - jusqu'à environ -450 degrés Fahrenheit.

Mais Fei et son groupe de recherche ont travaillé à température ambiante avec le microscope optique à champ proche à balayage dans son laboratoire de campus pour prendre des images nano-optiques des quasiparticules.

"Nous sommes les premiers à montrer une image de ces quasiparticules et comment elles se propagent, interférer et émettre, " dit Fei.

Les chercheurs, par exemple, mesuré une longueur de propagation de plus de 12 microns - 12 millionièmes de mètre - pour les excitons-polaritons à température ambiante.

Fei a déclaré que la création d'excitons-polaritons à température ambiante et leurs caractéristiques de propagation sont importantes pour le développement d'applications futures pour les quasiparticules. Un jour, ils pourraient même être utilisés pour construire des circuits nanophotoniques pour remplacer les circuits électroniques pour le transfert d'énergie ou d'informations à l'échelle nanométrique.

Fei a déclaré que les circuits nanophotoniques avec leur large bande passante pourraient être jusqu'à 1 million de fois plus rapides que les circuits électriques actuels.

Une équipe de recherche dirigée par Fei a récemment publié ses conclusions dans la revue scientifique Photonique de la nature . Le premier auteur de l'article est Fengrui Hu, un associé de recherche postdoctoral de l'État de l'Iowa en physique et en astronomie. Les co-auteurs supplémentaires sont Yilong Luan, un doctorant de l'Iowa State en physique et astronomie; Marie Scott, un étudiant récemment diplômé de l'Université de Washington; Jiaqiang Yan et David Mandrus du Laboratoire national d'Oak Ridge et de l'Université du Tennessee; et Xiaodong Xu de l'Université de Washington.

Le travail des chercheurs a été soutenu par des fonds de l'État de l'Iowa et du laboratoire Ames pour lancer le programme de recherche de Fei. Le W.M. La Fondation Keck de Los Angeles a également partiellement soutenu l'imagerie nano-optique du projet.

Les chercheurs ont également appris qu'en modifiant l'épaisseur du semi-conducteur MoSe2, ils pourraient manipuler les propriétés des excitons-polaritons.

Fei, qui étudie les quasiparticules dans le graphène et d'autres matériaux 2D depuis ses études supérieures à l'Université de Californie à San Diego, a déclaré que ses travaux antérieurs avaient ouvert la porte à des études sur les excitons-polaritons.

"Nous devons explorer davantage la physique des excitons-polaritons et comment ces quasiparticules peuvent être manipulées, " il a dit.

Cela pourrait conduire à de nouveaux dispositifs tels que les transistors à polaritons, dit Fei. Et cela pourrait un jour conduire à des percées dans les technologies photoniques et quantiques.