La découverte d'une nouvelle quasiparticule est analogue à la découverte d'une nouvelle molécule, sauf que les molécules contiennent des éléments différents, tandis que les quasiparticules sont constituées de particules et d'interactions fondamentales. Comme chaque molécule a ses propres propriétés uniques, les quasiparticules aussi, et la découverte d'un nouveau apporte une gamme d'applications technologiques possibles.

Une nouvelle quasiparticule nommée « trion polaronique, " découvert dans le bisulfure de molybdène (MoS 2 ) par une équipe de l'Université nationale de Singapour (NUS), pourrait être utilisé pour concevoir un modulateur optique pour la lumière visible qui est contrôlé à la fois par la température et les champs électriques.

L'effort de recherche pour cette percée a été dirigé par le professeur T Venky Venkatesan, Directeur du NUS Nanoscience and Nanotechnology Institute (NUSNNI), et a été publié dans Matériaux avancés le 26 août 2019.

La formation de la nouvelle quasiparticule

Une quasiparticule est essentiellement un composite formé en raison de l'interaction de particules élémentaires. Par exemple, l'interaction coulombienne entre des particules de charges opposées, les électrons et les trous, dans un semi-conducteur donne naissance à une quasiparticule, connu sous le nom d'exciton. "Récemment, il a été rapporté que dans les semi-conducteurs riches en électrons, un électron supplémentaire peut se lier à un exciton pour former une nouvelle quasiparticule appelée le « trion, '", a partagé le professeur Venkatesan.

Dans ce cas, les chercheurs ont découvert que lorsqu'une couche atomiquement mince de MoS 2 est cultivé sur un monocristal de titanate de strontium (SrTiO 3 ), le trion chargé dans MoS 2 peut en outre interagir avec les vibrations atomiques du SrTiO 3 réseau pour former une nouvelle quasiparticule. La nature de cette interaction est similaire à celle entre les électrons et les vibrations du réseau (ou phonons) dans les solides, donnant lieu à une autre quasiparticule connue sous le nom de « polaron ». D'où, ils ont surnommé la nouvelle quasiparticule un « trion polaronique ».

"Le trion polaronique peut être visualisé comme une poupée de thé russe, ou Matriochka. À l'intérieur du trion polaronique se trouve un trion nu, à l'intérieur duquel se trouve un exciton lui-même constitué d'électrons et de trous, " a expliqué le professeur agrégé Shaffique Adam, l'un des principaux auteurs de l'ouvrage, qui est du département de physique du NUS, Yale-NUS College et le Center for Advanced 2-D Materials (CA2DM).

La signification du trion polaronique

"Trions et excitons dans des matériaux 2D comme MoS 2 sont intéressants car ils peuvent absorber et émettre de la lumière, " a déclaré le Dr Soumya Sarkar, le premier auteur de la publication qui est de NUSNNI et de la NUS Graduate School for Integrative Sciences and Engineering. Il a découvert ce phénomène lors de ses recherches doctorales sous la direction du professeur Venkatesan.

Il ajouta, "D'habitude, les phonons ont des énergies trop importantes pour être couplées à un trion. C'est là que le SrTiO 3 le cristal est spécial car il subit une transition de phase structurelle à des températures inférieures à -120°C et donne lieu à une vibration atomique particulière, le mode doux."

Ce mode doux a une énergie qui est du même ordre que celle du trion nu, et permet un couplage fort entre le trion de MoS 2 et SrTiO 3 phonons pour former la nouvelle entité, le « trion polaronique. » Alors que les vibrations normales du réseau diminuent à mesure que le cristal gèle à basse température, la vibration en mode doux, d'autre part, est fortement amélioré, conforme aux observations.

Une autre propriété importante de cette quasiparticule est sa sensibilité aux champs électriques. Dr Sreetosh Goswami de NUSNNI, qui est l'un des principaux auteurs de cet article, élaboré, "Ce que nous observons ici, c'est une interaction à plusieurs corps et le réglage de cette interaction avec un champ électrique externe. C'est le Saint Graal en physique de la matière condensée, et de tels exemples sont assez rares."

Il a continué, "Pour moi, la partie la plus excitante de toute cette étude est l'accordabilité du champ électrique des trions polaroniques en manipulant les phonons mous dans SrTiO 3 . La capacité d'ajuster son énergie de liaison de près de 40 meV à l'aide d'une polarisation de tension est bien plus que tout autre qui a été signalé précédemment, et ne nécessite qu'une faible quantité d'énergie externe."

Théoriquement, le couplage est inhabituel car il s'agit de la première observation d'un tel couplage interfacial de phonons impliquant des phonons rotationnels. "Nous avons étendu un ancien résultat de Feynman et Fröhlich pour expliquer cette interaction. En fait, Les matériaux 2D interagissent fortement avec leur environnement et cela était crucial pour ce couplage, " a ajouté le Dr Maxim Trushin, un physicien théoricien du CA2DM qui a effectué tous les calculs inclus dans l'article et a proposé l'image de quasi-particules pour expliquer le phénomène observé.

Prochaines étapes

Dr Sinu Mathew, qui a initié l'effort sur les matériaux 2-D à NUSNNI sous la direction du professeur Venkatesan et est un acteur clé dans cette recherche, a fourni une image plus large de cette découverte. Il a dit, "90% de la recherche sur les matériaux 2-D utilise du SiO2 ou du nitrure de bore hexagonal comme substrats. Ceux-ci pourraient être parfaits pour explorer les propriétés quantiques des matériaux 2-D, mais si vous voulez explorer les interactions de l'interface, les substrats d'oxyde peuvent être beaucoup plus intéressants car ils ont de riches fonctionnalités quantiques. Dans cet article, nous rapportons l'interaction entre MoS 2 et SrTiO 3 , mais il y a beaucoup plus de place à explorer."

Récemment, il y a eu beaucoup d'enthousiasme concernant les interconnexions à base d'excitons. "Le trion polaronique est chargé et il serait donc plus facile de le guider avec des tensions appliquées, en faisant ainsi un acteur incontournable dans ce domaine, " a conclu le professeur Venkatesan. " En fait, nous avons déjà commencé à observer des trions polaroniques dans d'autres semi-conducteurs 2D et travaillons à la démonstration d'un dispositif fonctionnel basé sur cette nouvelle quasiparticule. "