Les futures technologies basées sur les principes de la mécanique quantique pourraient révolutionner les technologies de l'information. Mais pour réaliser les appareils de demain, les physiciens d'aujourd'hui doivent développer des plates-formes précises et fiables pour piéger et manipuler les particules de mécanique quantique.

Dans un article publié le 25 février dans la revue La nature , une équipe de physiciens de l'Université de Washington, l'Université de Hong Kong, le Laboratoire national d'Oak Ridge et l'Université du Tennessee, rapportent qu'ils ont développé un nouveau système pour piéger les excitons individuels. Ce sont des paires d'électrons liés et leurs charges positives associées, connu sous le nom de trous, qui peut être produit lorsque les semi-conducteurs absorbent la lumière. Les excitons sont des candidats prometteurs pour développer de nouvelles technologies quantiques qui pourraient révolutionner les domaines du calcul et des communications.

L'équipe, dirigé par Xiaodong Xu, le professeur distingué Boeing de l'UW en physique et en science et ingénierie des matériaux, travaillé avec deux semi-conducteurs 2-D monocouches, diséléniure de molybdène et diséléniure de tungstène, qui ont des arrangements similaires d'atomes en nid d'abeille dans un seul plan. Lorsque les chercheurs ont placé ces matériaux 2D ensemble, une petite torsion entre les deux couches a créé une structure de "super-réseau" connue sous le nom de motif moiré, un motif géométrique périodique vu d'en haut. Les chercheurs ont découvert que, à des températures de quelques degrés au-dessus du zéro absolu, ce motif moiré a créé un paysage texturé à l'échelle nanométrique, semblable aux fossettes à la surface d'une balle de golf, qui peut piéger les excitons en place comme des œufs dans une boîte à œufs. Leur système pourrait constituer la base d'une nouvelle plate-forme expérimentale pour surveiller les excitons avec précision et potentiellement développer de nouvelles technologies quantiques, dit Xu, qui est également chercheur au sein du Clean Energy Institute de l'UW.

Les excitons sont des candidats intéressants pour les technologies de communication et informatiques, car ils interagissent avec les photons - paquets uniques, ou quanta, de la lumière—d'une manière qui modifie à la fois les propriétés des excitons et des photons. Un exciton peut être produit lorsqu'un semi-conducteur absorbe un photon. L'exciton peut également se transformer plus tard en photon. Mais quand un exciton est produit pour la première fois, il peut hériter de certaines propriétés spécifiques du photon individuel, comme la rotation. Ces propriétés peuvent ensuite être manipulées par les chercheurs, comme changer la direction de rotation avec un champ magnétique. Lorsque l'exciton redevient un photon, le photon conserve des informations sur la façon dont les propriétés de l'exciton ont changé au cours de sa courte durée de vie - généralement, une centaine de nanosecondes pour ces excitons - dans le semi-conducteur.

Afin d'utiliser les propriétés "d'enregistrement d'informations" des excitons individuels dans toute application technologique, les chercheurs ont besoin d'un système pour piéger des excitons uniques. Le motif moiré répond à cette exigence. Sans ça, les petits excitons, dont le diamètre est estimé à moins de 2 nanomètres, pourrait diffuser n'importe où dans l'échantillon, ce qui rend impossible le suivi des excitons individuels et des informations qu'ils possèdent. Alors que les scientifiques avaient précédemment développé des approches complexes et sensibles pour piéger plusieurs excitons proches les uns des autres, le motif moiré développé par l'équipe dirigée par UW est essentiellement un réseau 2-D formé naturellement qui peut piéger des centaines d'excitons, sinon plus, avec chacun agissant comme un point quantique, une première en physique quantique.

Une caractéristique unique et révolutionnaire de ce système est que les propriétés de ces pièges, et donc les excitons, peut être contrôlé par une torsion. Lorsque les chercheurs ont modifié l'angle de rotation entre les deux semi-conducteurs 2D différents, ils ont observé différentes propriétés optiques dans les excitons. Par exemple, les excitons dans les échantillons avec des angles de torsion de zéro et 60 degrés ont affiché des moments magnétiques étonnamment différents, ainsi que différentes hélicités d'émission de lumière polarisée. Après avoir examiné plusieurs échantillons, les chercheurs ont pu identifier ces variations d'angle de torsion comme des « empreintes digitales » d'excitons piégés dans un motif moiré.

À l'avenir, les chercheurs espèrent étudier systématiquement les effets des petites variations d'angle de torsion, ce qui peut affiner l'espacement entre les pièges à excitons - les fossettes de la boîte à œufs. Les scientifiques pourraient régler la longueur d'onde du motif moiré suffisamment grande pour sonder les excitons isolément ou suffisamment petite pour que les excitons soient placés étroitement les uns avec les autres et puissent « parler » entre eux. Ce niveau de précision unique en son genre pourrait permettre aux scientifiques de sonder les propriétés de la mécanique quantique des excitons lorsqu'ils interagissent, qui pourraient favoriser le développement de technologies de pointe, dit Xu.

"En principe, ces potentiels de moiré pourraient fonctionner comme des réseaux de points quantiques homogènes, " a déclaré Xu. " Cette plate-forme quantique artificielle est un système très excitant pour exercer un contrôle de précision sur les excitons - avec des effets d'interaction conçus et des propriétés topologiques possibles, ce qui pourrait conduire à de nouveaux types d'appareils basés sur la nouvelle physique."

"L'avenir est très rose, " Xu a ajouté.