Les excitons (quasiparticules électriquement neutres) ont des propriétés extraordinaires. Ils n'existent que dans les matériaux semi-conducteurs et isolants et sont facilement accessibles dans des matériaux bidimensionnels (2D) de quelques atomes d'épaisseur seulement, comme le carbone et la molybdénite. Lorsque ces matériaux 2D sont combinés, ils présentent des propriétés quantiques qu'aucun des deux matériaux ne possède par lui-même.

Une nouvelle étude de l'Université de Tel Aviv explore la génération et la propagation d'excitons dans des matériaux 2D dans un laps de temps sans précédent et à une résolution spatiale extraordinairement élevée. La recherche a été dirigée par le professeur Haim Suchowski et le Dr Michael Mrejen de la faculté des sciences exactes Raymond &Beverly Sackler de TAU et publiée dans Avancées scientifiques le 1er février.

La mécanique quantique est une théorie fondamentale de la physique qui décrit la nature aux plus petites échelles d'énergie. "Notre nouvelle technologie d'imagerie capture le mouvement des excitons dans un court laps de temps et à l'échelle nanométrique, " dit le Dr Mrejen. " Cet outil peut être extrêmement utile pour examiner la réponse d'un matériau dès les premiers instants où la lumière l'a affecté. "

"De tels matériaux peuvent être utilisés pour ralentir considérablement la lumière pour la manipuler ou même la stocker, qui sont des capacités très recherchées pour les communications et pour les ordinateurs quantiques basés sur la photonique, " explique le professeur Suchowski. " Du point de vue de la capacité de l'instrument, ce tour de force ouvre de nouvelles opportunités pour visualiser et manipuler la réponse ultrarapide de nombreux autres systèmes matériels dans d'autres régimes spectraux, telles que la plage infrarouge moyenne dans laquelle de nombreuses molécules vibrent. »

Les scientifiques ont développé une technique d'imagerie spatio-temporelle unique à l'échelle femtoseconde-nanométrique et observé la dynamique exciton-polariton dans le diséléniure de tungstène, un matériau semi-conducteur, à température ambiante.

L'exciton-polariton est une créature quantique engendrée par le couplage de la lumière et de la matière. En raison du matériau spécifique étudié, la vitesse de propagation mesurée était d'environ 1% de la vitesse de la lumière. A cette échelle de temps, la lumière ne parvient à parcourir que quelques centaines de nanomètres.

"Nous savions que nous disposions d'un outil de caractérisation unique et que ces matériaux 2D étaient de bons candidats pour explorer des comportements intéressants à l'intersection ultrarapide-ultrapetite, " dit le Dr Mrejen. " Je dois ajouter que le matériel, diséléniure de tungstène, est extrêmement intéressant d'un point de vue applicatif. Il soutient de tels états couplés lumière-matière dans des dimensions très confinées, jusqu'à l'épaisseur d'un seul atome, à température ambiante et dans le domaine spectral visible."

Les chercheurs explorent maintenant des moyens de contrôler la vitesse des ondes semi-conductrices en, par exemple, combiner plusieurs matériaux 2D en piles.