Une équipe de recherche du Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) du ministère de l'Énergie a trouvé la première preuve qu'un mouvement de secousse dans la structure d'un matériau atomiquement mince (2-D) possède une rotation circulaire naturelle.

Cette rotation pourrait devenir la pierre angulaire d'une nouvelle forme de technologie de l'information, et pour la conception de rotors à l'échelle moléculaire pour entraîner des moteurs et des machines microscopiques.

Le matériau monocouche, diséléniure de tungstène (WSe 2 ), est déjà bien connu pour sa capacité inhabituelle à maintenir des propriétés électroniques spéciales qui sont beaucoup plus éphémères dans d'autres matériaux.

Il est considéré comme un candidat prometteur pour une forme recherchée de stockage de données connue sous le nom de valleytronics, par exemple, dans lequel la quantité de mouvement et le mouvement ondulatoire des électrons dans un matériau peuvent être triés en "vallées" opposées dans la structure électronique d'un matériau, avec chacune de ces vallées représentant les uns et les zéros dans les données binaires conventionnelles.

L'électronique moderne repose généralement sur des manipulations de la charge des électrons pour transporter et stocker des informations, bien que l'électronique soit de plus en plus miniaturisée, elle est plus sujette aux problèmes liés à l'accumulation de chaleur et aux fuites électriques.

La dernière étude, publié en ligne cette semaine dans la revue Science , fournit une voie possible pour surmonter ces problèmes. Il signale que certains des phonons du matériau, un terme décrivant les vibrations collectives dans les cristaux atomiques, tournent naturellement dans une certaine direction.

Cette propriété est connue sous le nom de chiralité. Le contrôle du sens de cette rotation fournirait un mécanisme stable pour transporter et stocker des informations.

"Les phonons dans les solides sont généralement considérés comme le mouvement linéaire collectif des atomes, " a déclaré Xiang Zhang, l'auteur correspondant de l'étude et scientifique principal de la Division des sciences des matériaux au Lawrence Berkeley National Laboratory et professeur à l'UC Berkeley. "Notre expérience a découvert un nouveau type de phonons dits chiraux où les atomes se déplacent en cercles dans un cristal monocouche atomique de diséléniure de tungstène."

Hanyu Zhu, l'auteur principal de l'étude et chercheur postdoctoral au groupe de Zhang, mentionné, "L'un des plus grands avantages du phonon chiral est que la rotation est verrouillée avec l'élan de la particule et n'est pas facilement perturbée."

Dans le mode phonon étudié, les atomes de sélénium semblent tourner collectivement dans le sens des aiguilles d'une montre, tandis que les atomes de tungstène n'ont montré aucun mouvement. Les chercheurs ont préparé un "sandwich" avec quatre feuilles d'échantillons monocouches WSe2 de la taille d'un centimètre placés entre de minces cristaux de saphir. Ils ont synchronisé des lasers ultrarapides pour enregistrer les mouvements en fonction du temps.

Les deux sources laser ont convergé sur un point sur les échantillons mesurant seulement 70 millionièmes de mètre de diamètre. L'un des lasers a été précisément commuté entre deux modes d'accord différents pour détecter la différence d'activité des phonons chiraux gauche et droit.

Un laser dit de pompe produit visible, des impulsions de lumière rouge qui ont excité les échantillons, et un laser de sonde a produit des impulsions dans l'infrarouge moyen qui ont suivi la première impulsion de pompe en un millier de milliardième de seconde. Environ un photon dans l'infrarouge moyen sur 100 millions est absorbé par WSe2 et converti en phonon chiral.

Les chercheurs ont ensuite capturé la luminescence à haute énergie de l'échantillon, une signature de cet événement d'absorption rare. Grâce à cette technique, connue sous le nom de spectroscopie infrarouge transitoire, les chercheurs ont non seulement confirmé l'existence d'un phonon chiral, mais ont également obtenu avec précision sa fréquence de rotation.

Jusque là, le processus ne produit qu'un petit nombre de phonons chiraux. Une prochaine étape de la recherche sera de générer un plus grand nombre de phonons en rotation, et d'apprendre si des agitations vigoureuses dans le cristal peuvent être utilisées pour inverser le spin des électrons ou pour modifier de manière significative les propriétés de vallée du matériau. Le spin est une propriété inhérente à un électron qui peut être considéré comme l'aiguille de sa boussole - s'il pouvait être retourné pour pointer vers le nord ou le sud, il pourrait être utilisé pour transmettre des informations dans une nouvelle forme d'électronique appelée spintronique.

« Le contrôle potentiel des électrons et des spins basé sur les phonons pour les applications de dispositifs est très excitant et à portée de main, " dit Zhu. "Nous avons déjà prouvé que les phonons sont capables de commuter la vallée électronique. En outre, ce travail permet la possibilité d'utiliser les atomes en rotation comme de petits aimants pour guider l'orientation du spin."

Les propriétés chirales trouvées dans l'étude existent probablement dans une large gamme de matériaux 2D basés sur une structuration similaire dans leur structure atomique, Zhu a également noté, ajoutant que l'étude pourrait guider les recherches théoriques sur les interactions électron-phonon et la conception de matériaux pour améliorer les effets basés sur les phonons.

"Le même principe fonctionne dans toutes les structures périodiques 2-D avec une symétrie triple et une asymétrie d'inversion", a déclaré Zhu. « Le même principe recouvre une immense famille de matériaux naturels, et il y a des possibilités presque infinies pour créer des rotors à l'échelle moléculaire."