Les hétérostructures semi-conductrices sont essentielles au développement de l'électronique et de l'optoélectronique. De nombreuses applications dans la gamme de fréquences infrarouge et térahertz exploitent les transitions, appelées transitions intersous-bandes, entre les états quantifiés dans les puits quantiques des semi-conducteurs. Ces transitions intrabandes présentent de très grandes forces d'oscillateur, proche de l'unité. Leur découverte dans les hétérostructures semi-conductrices III-V a représenté un impact énorme au sein de la communauté de la physique de la matière condensée et a déclenché le développement de photodétecteurs infrarouges à puits quantiques ainsi que de lasers à cascade quantique.

Les puits quantiques de la plus haute qualité sont généralement fabriqués par épitaxie par faisceau moléculaire (croissance séquentielle de couches cristallines), qui est une technique bien établie. Cependant, il pose deux limitations majeures :l'appariement de réseau est requis, restreindre la liberté de choix des matériaux, et la croissance thermique provoque la diffusion atomique et augmente la rugosité de l'interface.

Les matériaux 2-D peuvent surmonter ces limitations car ils forment naturellement un puits quantique avec des interfaces atomiquement pointues. Ils fournissent des interfaces sans défaut et atomiquement pointues, permettant la formation de QW idéaux, exempt d'inhomogénéités de diffusion. Ils ne nécessitent pas de croissance épitaxiale sur un substrat adapté et peuvent donc être facilement isolés et couplés à d'autres systèmes électroniques tels que Si CMOS ou à des systèmes optiques tels que des cavités et des guides d'ondes.

De façon assez surprenante, les transitions intersous-bandes dans les matériaux 2-D à quelques couches n'avaient jamais été étudiées auparavant, ni expérimentalement ni théoriquement. Ainsi, dans une étude récente publiée dans Nature Nanotechnologie , Les chercheurs de l'ICFO Peter Schmidt, Fabien Vialla, Mathieu Massicotte, Klaas-Jan Tielrooij, Gabriele Navickaite, dirigé par ICREA Prof à ICFO Frank Koppens, en collaboration avec l'Institut Lumière Matière—CNRS, Université technique du Danemark, Institut Max Planck pour la structure et la dynamique de la matière, CIC nanoGUNE, et l'Institut national du graphène, rapport sur les premiers calculs théoriques et les premières observations expérimentales de transitions inter-sous-bandes dans des puits quantiques de matériaux semi-conducteurs 2D (TMD) à quelques couches.

Dans leur expérience, l'équipe de chercheurs a appliqué la microscopie optique à champ proche à diffusion à balayage (s-SNOM) comme approche innovante pour les mesures d'absorption spectrale avec une résolution spatiale inférieure à 20 nm. Ils ont exfolié les TMD, qui comprenait des terrasses de différentes épaisseurs de couche sur des tailles latérales d'environ quelques micromètres. Ils ont directement observé les résonances intersous-bandes pour ces différentes épaisseurs de puits quantiques au sein d'un même dispositif. Ils ont également accordé électrostatiquement la densité des porteurs de charge et démontré l'absorption intersous-bandes dans la bande de valence et de conduction. Ces observations ont été complétées et étayées par des calculs théoriques détaillés révélant des effets à plusieurs corps et non locaux.

Les résultats de cette étude ouvrent la voie vers un domaine inexploré dans cette nouvelle classe de matériaux et offrent un premier aperçu de la physique et de la technologie permises par les transitions intersous-bandes dans les matériaux 2D, tels que les détecteurs infrarouges, sources, et des lasers avec un potentiel d'intégration compacte avec Si CMOS.