Une nouvelle façon d'améliorer les interactions entre la lumière et la matière, développé par des chercheurs du MIT et du Technion israélien, pourrait un jour conduire à des cellules solaires plus efficaces qui collectent une plus large gamme de longueurs d'onde lumineuses, et de nouveaux types de lasers et de diodes électroluminescentes (DEL) qui pourraient avoir des émissions de couleurs entièrement réglables.

Le principe fondamental de la nouvelle approche est un moyen d'obtenir la quantité de mouvement des particules légères, appelés photons, pour correspondre plus étroitement à celui des électrons, ce qui est normalement supérieur de plusieurs ordres de grandeur. En raison de l'énorme disparité dans l'élan, ces particules interagissent généralement très faiblement; rapprocher leurs moments permet de mieux contrôler leurs interactions, qui pourrait permettre de nouveaux types de recherche fondamentale sur ces processus ainsi qu'une foule de nouvelles applications, disent les chercheurs.

Les nouvelles découvertes, sur la base d'une étude théorique, sont publiés aujourd'hui dans la revue Photonique de la nature dans un article de Yaniv Kurman du Technion (l'Institut israélien de technologie, à Haïfa); Nicholas Rivera, étudiant diplômé du MIT; post-doctorant MIT Thomas Christensen; Jean Joannopoulos, le professeur de physique Francis Wright Davis au MIT; Marin Soljacic, professeur de physique au MIT; Ido Kaminer, professeur de physique au Technion et ancien postdoctorant du MIT; et Shai Tsesses et Meir Orenstein au Technion.

Alors que le silicium est une substance extrêmement importante comme base de la plupart des appareils électroniques actuels, il n'est pas bien adapté aux applications impliquant de la lumière, comme les LED et les cellules solaires, même s'il est actuellement le principal matériau utilisé pour les cellules solaires malgré son faible rendement, dit Kaminer. L'amélioration des interactions de la lumière avec un matériau électronique important tel que le silicium pourrait être une étape importante vers l'intégration de la photonique - des dispositifs basés sur la manipulation d'ondes lumineuses - avec des puces semi-conductrices électroniques.

La plupart des personnes qui se penchent sur ce problème se sont concentrées sur le silicium lui-même, Kaminer dit, mais "cette approche est très différente - nous essayons de changer la lumière au lieu de changer le silicium." Kurman ajoute que « les gens conçoivent la matière dans des interactions lumière-matière, mais ils ne pensent pas à concevoir le côté lumineux."

Une façon de le faire est de ralentir, ou rétrécir, la lumière suffisamment pour abaisser considérablement la quantité de mouvement de ses photons individuels, pour les rapprocher de celui des électrons. Dans leur étude théorique, les chercheurs ont montré que la lumière pouvait être ralentie d'un facteur mille en la faisant passer à travers une sorte de matériau multicouche en couche mince recouvert d'une couche de graphène. Le matériau en couches, constitué de couches d'arséniure de gallium et d'arséniure de gallium d'indium, modifie le comportement des photons qui le traversent de manière hautement contrôlable. Cela permet aux chercheurs de contrôler la fréquence des émissions du matériau jusqu'à 20 à 30 pour cent, dit Kurman, qui est l'auteur principal de l'article.

L'interaction d'un photon avec une paire de particules de charges opposées, comme un électron et son "trou" correspondant, produit une quasiparticule appelée plasmon, ou un plasmon-polariton, qui est une sorte d'oscillation qui a lieu dans un matériau exotique tel que les dispositifs en couches bidimensionnels utilisés dans cette recherche. De tels matériaux « supportent des oscillations élastiques à sa surface, vraiment étroitement confiné" dans le matériau, dit Rivera. Ce processus réduit efficacement les longueurs d'onde de la lumière par des ordres de grandeur, il dit, le ramener "presque à l'échelle atomique".

À cause de ce rétrécissement, la lumière peut alors être absorbée par le semi-conducteur, ou émis par celui-ci, il dit. Dans le matériau à base de graphène, ces propriétés peuvent en fait être contrôlées directement en faisant simplement varier une tension appliquée à la couche de graphène. De cette façon, "on peut contrôler totalement les propriétés de la lumière, pas seulement le mesurer, " dit Kurman.

Bien que les travaux en soient encore à un stade précoce et théorique, les chercheurs disent qu'en principe cette approche pourrait conduire à de nouveaux types de cellules solaires capables d'absorber une plus large gamme de longueurs d'onde lumineuses, ce qui rendrait les appareils plus efficaces pour convertir la lumière du soleil en électricité. Cela pourrait également conduire à des dispositifs produisant de la lumière, tels que les lasers et les LED, qui pourrait être réglé électroniquement pour produire une large gamme de couleurs. "Cela a une mesure d'accordabilité qui est au-delà de ce qui est actuellement disponible, " dit Kaminer.

« Le travail est très général, " Kurman dit, les résultats devraient donc s'appliquer à beaucoup plus de cas que ceux utilisés dans cette étude. "Nous pourrions utiliser plusieurs autres matériaux semi-conducteurs, et quelques autres polaritons de matière lumineuse. » Bien que ce travail n'ait pas été fait avec du silicium, il devrait être possible d'appliquer les mêmes principes aux dispositifs à base de silicium, dit l'équipe. "En comblant l'écart d'élan, nous pourrions introduire du silicium dans ce monde" de dispositifs à base de plasmons, dit Kurman.

Parce que les découvertes sont si nouvelles, Rivera dit, il "devrait permettre beaucoup de fonctionnalités que nous ne connaissons même pas encore."