Des chercheurs de l'Université de Chicago et de l'Argonne National Laboratory du département américain de l'Énergie ont développé une nouvelle méthode pour mesurer la façon dont les photocourants circulent dans un matériau 2D, un résultat qui pourrait avoir des implications pour le développement de capteurs quantiques et de l'électronique de nouvelle génération.

En utilisant des capteurs quantiques pour visualiser le champ magnétique dans le bisulfure de molybdène extrêmement fin (MoS 2 ) - un matériau de seulement trois atomes d'épaisseur - l'équipe a découvert comment les photocourants (courants électriques induits par la lumière) circulaient dans le matériau - dans ce cas, étonnamment, dans un tourbillon autour du laser. Cette méthode ultra-sensible de mesure de tels courants dans un matériau bidimensionnel, qui est une substance d'une épaisseur de quelques nanomètres ou moins, aidera les chercheurs à mieux comprendre le matériau dans l'espoir de l'utiliser éventuellement pour créer de l'électronique flexible et des cellules solaires. Les résultats ont été publiés le 6 janvier dans la revue Examen physique X .

"La capacité d'observer un comportement électronique invisible aux mesures traditionnelles ouvre de nouvelles voies pour l'étude scientifique, et nous aide finalement à concevoir des technologies quantiques efficaces, " a déclaré le chercheur principal David Awschalom, Professeur de la famille Liew en génie moléculaire, scientifique senior au Laboratoire National d'Argonne, et directeur du Chicago Quantum Exchange. « Cette technique de mesure sensible nous permet d'explorer des phénomènes à l'échelle atomique et de développer de nouveaux dispositifs pour la détection et la communication quantiques.

Mesure de courants dans des matériaux extrêmement fins

Pour faire la mesure, Awschalom et l'équipe ont placé MoS 2 sur un centre de vacance d'azote, qui est un défaut dans un diamant où un atome d'azote se trouve à côté d'un site vacant dans le réseau du diamant. Ces spots peuvent être utilisés pour étudier les phénomènes de spin électronique et nucléaire.

L'équipe a ensuite projeté un laser rouge sur le matériau pour voir s'ils pouvaient détecter des perturbations magnétiques temporaires (qu'ils ont supposé que le laser pourrait provoquer). Mais au lieu de perturbations magnétiques, ils ont détecté de forts photocourants, qui peut se produire lorsque la lumière est projetée sur un matériau. Ces photocourants produisent des champs magnétiques lorsqu'ils circulent. Les photocourants sont à la base de la technologie des appareils photo numériques, cellules solaires, et les réseaux de fibre optique.

Les chercheurs ont été surpris de découvrir les photocourants se déplaçant dans un vortex autour du laser, une forme impossible à détecter avec d'autres techniques.

Méthodes traditionnelles pour mesurer la façon dont les photocourants traversent le MoS 2 sont difficiles à réaliser et sont souvent incorrectes. Comprendre ce phénomène est important pour développer une électronique potentiellement flexible et transparente à partir de MoS 2 et d'autres matériaux 2-D.

"Nous sommes beaucoup plus heureux d'avoir trouvé des photocourants au lieu des perturbations magnétiques que nous recherchions, " a déclaré Paul Jerger, un étudiant diplômé au laboratoire UChicago d'Awschalom et à Argonne, qui a mené la recherche avec l'ancien boursier postdoctoral Brian Zhou, qui est maintenant au Boston College. « Comprendre les photocourants nous aidera à mieux comprendre les propriétés électriques de matériaux comme celui-ci, dans l'espoir de les utiliser pour l'électronique comme les appareils photo numériques ou les cellules solaires."

Créer des appareils quantiques plus compacts

Cette découverte pourrait ouvrir la voie à de meilleures configurations expérimentales en laboratoire, où les centres de vacance d'azote sont utilisés pour effectuer des opérations quantiques. Il sera également utile pour comprendre comment les photocourants sont générés et propagés, qui pourrait permettre aux chercheurs d'utiliser des matériaux minces pour les appareils photo numériques, cellules solaires, ou même des champs magnétiques à la demande qui ne nécessitent aucun fil électrique.

Ensuite, l'équipe espère adapter le procédé pour mesurer les photocourants à température ambiante, et d'essayer d'appliquer cette technique pour mesurer les photocourants dans d'autres matériaux minces, comme le graphène.

« Alors que nous synthétisons des matériaux quantiques de la plus haute qualité, nous souhaitons idéalement les mesurer sans faire de connexions électriques perturbatrices, " dit Jiwoong Park, professeur de chimie à UChicago et co-titulaire à Argonne, dont le groupe a créé le MoS 2 utilisé dans l'étude. "Cette nouvelle technique nous permet de faire ça, ouvrant la voie au développement de nouveaux matériaux quantiques dans des processus à l'échelle industrielle."