Dans les appareils électroniques conventionnels, l'électricité nécessite le mouvement des électrons (sphères bleues) et de leurs homologues positifs, appelés trous (sphères rouges), qui se comportent un peu comme les molécules de gaz dans notre atmosphère. Bien qu'ils se déplacent rapidement et se heurtent rarement en phase gazeuse, les électrons et les trous peuvent se condenser en gouttelettes liquides semblables à de l'eau liquide dans des dispositifs composés de matériaux ultrafins. Crédit :QMO Lab, UC Riverside.
En bombardant un sandwich semi-conducteur ultrafin avec de puissantes impulsions laser, physiciens de l'Université de Californie, Bord de rivière, ont créé le premier « liquide électronique » à température ambiante.
Cette réalisation ouvre la voie au développement des premiers dispositifs pratiques et efficaces pour générer et détecter la lumière à des longueurs d'onde térahertz, entre la lumière infrarouge et les micro-ondes. De tels dispositifs pourraient être utilisés dans des applications aussi diverses que les communications dans l'espace, détection du cancer, et la recherche d'armes dissimulées.
La recherche pourrait également permettre l'exploration de la physique fondamentale de la matière à des échelles infiniment petites et contribuer à inaugurer une ère de métamatériaux quantiques, dont les structures sont conçues à des dimensions atomiques.
Les physiciens de l'UCR ont publié leurs découvertes en ligne le 4 février dans le journal Photonique de la nature . Ils étaient dirigés par le professeur agrégé de physique Nathaniel Gabor, qui dirige le laboratoire d'optoélectronique des matériaux quantiques de l'UCR. Les autres co-auteurs étaient les membres du laboratoire Trevor Arp et Dennis Pleskot, et professeur agrégé de physique et d'astronomie Vivek Aji.
Dans leurs expériences, les scientifiques ont construit un sandwich ultrafin du ditellurure de molybdène semi-conducteur entre des couches de graphène de carbone. La structure en couches était juste légèrement plus épaisse que la largeur d'une seule molécule d'ADN. Ils ont ensuite bombardé le matériau avec des impulsions laser ultra-rapides, mesuré en quadrillions de seconde.
En incorporant des techniques d'imagerie avancées avec des stratégies intensives en données développées par des étudiants de l'UC Riverside travaillant avec le Jet Propulsion Laboratory de la NASA, un nouveau type de microscope a été développé qui a permis la première observation d'un liquide électronique à température ambiante. Crédit :QMO Lab, UC Riverside.
"Normalement, avec des semi-conducteurs comme le silicium, l'excitation laser crée des électrons et leurs trous chargés positivement qui diffusent et dérivent dans le matériau, c'est ainsi qu'on définit un gaz, " dit Gabor. Cependant, dans leurs expériences, les chercheurs ont détecté des preuves de condensation dans l'équivalent d'un liquide. Un tel liquide aurait des propriétés ressemblant à des liquides communs tels que l'eau, sauf qu'il consisterait, pas de molécules, mais d'électrons et de trous dans le semi-conducteur.
"Nous augmentions la quantité d'énergie déversée dans le système, et nous n'avons rien vu, rien, rien - puis soudain, nous avons vu la formation de ce que nous avons appelé un "anneau de photocourant anormal" dans le matériau, " a déclaré Gabor. "Nous avons réalisé que c'était un liquide parce qu'il a grandi comme une gouttelette, plutôt que de se comporter comme un gaz."
"Ce qui nous a vraiment surpris, bien que, est-ce que c'est arrivé à température ambiante, " dit-il. " Auparavant, les chercheurs qui avaient créé de tels liquides à trous d'électrons n'avaient pu le faire qu'à des températures plus froides que même dans l'espace lointain."
Les propriétés électroniques de telles gouttelettes permettraient le développement de dispositifs optoélectroniques qui fonctionnent avec une efficacité sans précédent dans la région térahertz du spectre, dit Gabor. Les longueurs d'onde térahertz sont plus longues que les ondes infrarouges mais plus courtes que les micro-ondes, et il a existé un « écart térahertz » dans la technologie pour utiliser de telles ondes. Les ondes térahertz pourraient être utilisées pour détecter les cancers de la peau et les caries dentaires en raison de leur pénétration limitée et de leur capacité à résoudre les différences de densité. De la même manière, les ondes pourraient être utilisées pour détecter des défauts dans des produits tels que des comprimés de drogue et pour découvrir des armes dissimulées sous les vêtements.
Les émetteurs et récepteurs térahertz pourraient également être utilisés pour des systèmes de communication plus rapides dans l'espace. Et, le liquide électron-trou pourrait être la base des ordinateurs quantiques, qui offrent le potentiel d'être beaucoup plus petits que les circuits à base de silicium actuellement utilisés, dit Gabor.
Plus généralement, Gabor a dit, la technologie utilisée dans son laboratoire pourrait servir de base à l'ingénierie des « métamatériaux quantiques, " avec des dimensions à l'échelle atomique qui permettent une manipulation précise des électrons pour les amener à se comporter de nouvelles manières.
Dans d'autres études sur les "nanopuddles" électron-trou, " les scientifiques exploreront leurs propriétés liquides telles que la tension de surface.
"À l'heure actuelle, nous n'avons aucune idée de la liquidité de ce liquide, et il serait important de savoir, " a déclaré Gabor.
Gabor prévoit également d'utiliser la technologie pour explorer les phénomènes physiques de base. Par exemple, refroidir le liquide électron-trou à des températures ultra-basses pourrait le transformer en un "fluide quantique" doté de propriétés physiques exotiques qui pourraient révéler de nouveaux principes fondamentaux de la matière.
Dans leurs expériences, les chercheurs ont utilisé deux technologies clés. Pour construire les sandwichs ultrafins de ditellurure de molybdène et de graphène de carbone, ils ont utilisé une technique appelée " estampage élastique ". Dans cette méthode, un film polymère collant est utilisé pour ramasser et empiler des couches de graphène et de semi-conducteur à épaisseur atomique.
Et pour à la fois pomper de l'énergie dans le sandwich semi-conducteur et imager les effets, ils ont utilisé la "microscopie à photoréponse dynamique multi-paramètres" développée par Gabor et Arp. Dans cette technique, des faisceaux d'impulsions laser ultrarapides sont manipulés pour balayer un échantillon afin de cartographier optiquement le courant généré.
