Les électrons traversant la frontière entre deux matériaux sont à la base de nombreuses technologies clés, des mémoires flash aux batteries et cellules solaires. Aujourd'hui, les chercheurs ont observé et enregistré directement ces minuscules mouvements transfrontaliers pour la première fois, regarder les électrons courir sept dixièmes de nanomètre - environ la largeur de sept atomes d'hydrogène - en 100 millionièmes de milliardième de seconde.

Dirigé par des scientifiques du SLAC National Accelerator Laboratory du ministère de l'Énergie et de l'Université de Stanford, l'équipe a fait ces observations en mesurant de minuscules rafales d'ondes électromagnétiques émises par les électrons en déplacement - un phénomène décrit il y a plus d'un siècle par les équations de Maxwell, mais seulement maintenant appliqué à cette mesure importante.

"Pour faire quelque chose d'utile, généralement, vous devez assembler différents matériaux et transférer la charge ou la chaleur ou la lumière entre eux, " a déclaré Eric Yue Ma, chercheur postdoctoral dans le laboratoire du SLAC/Stanford Professeur Tony Heinz et auteur principal d'un rapport en Avancées scientifiques .

« Cela ouvre une nouvelle façon de mesurer la charge - dans ce cas, électrons et trous - se déplace à travers l'interface abrupte entre deux matériaux, " at-il dit. " Cela ne s'applique pas seulement aux matériaux en couches. Par exemple, il peut également être utilisé pour regarder les électrons circulant entre une surface solide et les molécules qui y sont attachées, ou même, en principe, entre un liquide et un solide."

Trop court, trop vite – ou l'étaient-ils ?

Les matériaux utilisés dans cette expérience sont des dichalcogénures de métaux de transition, ou TMDC – une classe émergente de matériaux semi-conducteurs qui se composent de couches de quelques atomes d'épaisseur seulement. Il y a eu une explosion d'intérêt pour les TMDC au cours des dernières années alors que les scientifiques explorent leurs propriétés fondamentales et leurs utilisations potentielles en nanoélectronique et en photonique.

Lorsque deux types de TMDC sont empilés en couches alternées, les électrons peuvent circuler d'une couche à l'autre d'une manière contrôlable que les gens aimeraient exploiter pour diverses applications.

Mais jusqu'à maintenant, les chercheurs qui voulaient observer et étudier ce flux n'avaient pu le faire qu'indirectement, en sondant le matériau avant et après le déplacement des électrons. Les distances impliquées étaient tout simplement trop courtes, et l'électron accélère trop vite, pour que les instruments d'aujourd'hui captent directement le flux de charge.

C'est du moins ce qu'ils pensaient.

Maxwell ouvre la voie

Selon un célèbre ensemble d'équations nommé d'après le physicien James Clerk Maxwell, des impulsions de courant émettent des ondes électromagnétiques, qui peuvent varier des ondes radio et des micro-ondes à la lumière visible et aux rayons X. Dans ce cas, l'équipe a réalisé que le voyage d'un électron d'une couche TMDC à une autre devrait générer des ondes térahertz – qui se situent entre les micro-ondes et la lumière infrarouge sur le spectre électromagnétique – et que ces impulsions pouvaient être détectées avec les outils de pointe d'aujourd'hui.

"Les gens y avaient probablement déjà pensé, mais ont rejeté l'idée parce qu'ils pensaient qu'il n'y avait aucun moyen de mesurer le courant d'électrons voyageant sur une si petite distance dans une si petite quantité de matière, " Ma dit. " Mais si vous faites un calcul au dos de l'enveloppe, vous voyez que si un courant est vraiment si rapide, vous devriez pouvoir mesurer la lumière émise, alors on a juste essayé."

Coups de coude d'un laser

Les chercheurs, tous les chercheurs du Stanford Institute for Materials and Energy Sciences (SIMES) au SLAC, testé leur idée sur un matériau TMDC composé de bisulfure de molybdène et de bisulfure de tungstène.

En collaboration avec le professeur Aaron Lindenberg du SLAC/Stanford, Ma et son collègue postdoctoral Burak Guzelturk ont ​​frappé le matériau avec des impulsions ultracourtes de lumière laser optique pour faire bouger les électrons et ont enregistré les ondes térahertz qu'ils ont émises avec une technique appelée spectroscopie d'émission térahertz dans le domaine temporel. Ces mesures ont non seulement révélé à quelle distance et à quelle vitesse le courant électrique voyageait entre les couches, Maman a dit, mais aussi la direction dans laquelle il a voyagé. Lorsque les deux mêmes matériaux ont été empilés dans l'ordre inverse, le courant passait exactement de la même manière mais dans le sens opposé.

« Avec la démonstration de cette nouvelle technique, de nombreux problèmes passionnants peuvent maintenant être résolus, " dit Heinz, qui a mené l'enquête de l'équipe. "Par exemple, la rotation de l'une des deux couches cristallines par rapport à l'autre est connue pour modifier considérablement les propriétés électroniques et optiques des couches combinées. Cette méthode nous permettra de suivre directement le mouvement rapide des électrons d'une couche à l'autre et de voir comment ce mouvement est affecté par le positionnement relatif des atomes."