Dr Julien Madéo, Le scientifique de l'unité de spectroscopie femtoseconde de l'OIST aligne le faisceau de lumière ultraviolette extrême. Crédit :OIST
annonçant la fin d'une quête d'une décennie, dans une nouvelle classe prometteuse d'extrêmement mince, semi-conducteurs bidimensionnels, les scientifiques ont pour la première fois directement visualisé et mesuré des particules insaisissables, appelés excitons noirs, qui ne peut pas être vu par la lumière.
La technique puissante, décrit dans une revue de premier plan Science , pourrait révolutionner la recherche sur les semi-conducteurs et les excitons bidimensionnels, avec des implications profondes pour les futurs dispositifs technologiques, des cellules solaires et LED aux smartphones et lasers.
Les excitons sont des états excités de la matière présents dans les semi-conducteurs, un ingrédient clé dans de nombreuses technologies actuelles. Ils se forment lorsque les électrons du matériau semi-conducteur sont excités par la lumière à un état d'énergie plus élevé, laissant derrière lui un "trou" au niveau d'énergie où l'électron résidait auparavant.
"Les trous sont l'absence d'électron, et ainsi porter la charge opposée à un électron, " a expliqué l'auteur principal, le professeur Keshav Dani, qui dirige l'unité de spectroscopie femtoseconde à l'Okinawa Institute of Science and Technology Graduate University (OIST). "Ces charges opposées s'attirent, et les électrons et les trous se lient pour former des excitons qui peuvent ensuite se déplacer dans le matériau."
Dans les semi-conducteurs ordinaires, les excitons s'éteignent en moins de quelques milliardièmes de seconde après leur création. De plus, ils peuvent être « fragiles, " les rendant difficiles à étudier et à manipuler. Mais il y a une dizaine d'années, les scientifiques ont découvert des semi-conducteurs bidimensionnels, où les excitons sont plus robustes.
"Les excitons robustes confèrent à ces matériaux des propriétés vraiment uniques et passionnantes, il y a donc eu beaucoup d'études intenses dans le monde entier visant à les utiliser pour créer de nouveaux dispositifs optoélectroniques, " a déclaré le co-premier auteur Dr Julien Madéo, scientifique au sein de l'unité de spectroscopie femtoseconde de l'OIST. "Mais en ce moment, il y a une limitation majeure avec la technique expérimentale standard utilisée pour mesurer les excitons."
L'instrument a utilisé une impulsion de pompage initiale de lumière pour exciter les électrons et générer des excitons. Cela a été rapidement suivi d'une deuxième impulsion de lumière qui a utilisé des photons ultraviolets extrêmes pour expulser les électrons des excitons hors du matériau et dans le vide d'un microscope électronique. Le microscope électronique a ensuite mesuré l'énergie et l'angle que les électrons ont quitté le matériau. Crédit :OIST
Actuellement, les chercheurs utilisent des techniques de spectroscopie optique, mesurant essentiellement les longueurs d'onde de la lumière absorbées, réfléchi ou émis par le matériau semi-conducteur - pour découvrir des informations sur les états d'énergie des excitons. Mais la spectroscopie optique ne capture qu'une petite partie de l'image.
Les scientifiques savent depuis longtemps qu'un seul type d'exciton, appelés excitons brillants, peut interagir avec la lumière. Mais d'autres types d'excitons existent également, y compris les excitons sombres interdits par la quantité de mouvement. Dans ce type d'exciton sombre, les électrons ont une quantité de mouvement différente des trous auxquels ils sont liés, ce qui les empêche d'absorber la lumière. Cela signifie également que les électrons des excitons sombres ont une quantité de mouvement différente de celle des électrons des excitons brillants.
"Nous savons qu'ils existent, mais on ne peut pas les voir directement, on ne peut pas les sonder directement, et donc nous ne savons pas à quel point ils sont importants, ou dans quelle mesure ils impactent les propriétés optoélectroniques du matériau, " a déclaré le Dr Madéo.
Lumière brillante sur les excitons sombres
Pour visualiser les excitons sombres pour la première fois, les scientifiques ont modifié une technique puissante qui avait auparavant été largement utilisée pour étudier des électrons non liés.
"Il n'était pas clair comment cette technique fonctionnerait pour les excitons, qui sont des particules composites dans lesquelles les électrons sont liés. Il y a eu beaucoup de travaux théoriques dans la communauté scientifique sur la validité de cette approche, " a déclaré le professeur Dani.
Dr Michael Man, scientifique au sein de l'unité de spectroscopie femtoseconde de l'OIST, charge un échantillon du matériau semi-conducteur dans le microscope électronique. Crédit :OIST
Leur méthode a proposé que si un faisceau de lumière contenant des photons d'une énergie suffisamment élevée était utilisé pour frapper des excitons dans le matériau semi-conducteur, l'énergie des photons briserait les excitons et expulserait les électrons du matériau.
En mesurant la direction dans laquelle les électrons sortent du matériau, les scientifiques seraient alors en mesure de déterminer la quantité de mouvement initiale des électrons lorsqu'ils faisaient partie des excitons. Les scientifiques pourraient donc non seulement voir, mais aussi différencier, les excitons brillants des excitons sombres.
Mais la mise en œuvre de cette nouvelle technique a nécessité de résoudre d'énormes défis techniques. Les scientifiques devaient générer des impulsions lumineuses avec des photons ultraviolets extrêmes à haute énergie capables de diviser les excitons et d'expulser les électrons du matériau. L'instrument devait alors pouvoir mesurer l'énergie et l'angle de ces électrons. Plus loin, puisque les excitons sont de courte durée, l'instrument devait fonctionner sur des échelles de temps inférieures à un millier de milliardièmes de seconde. Dernièrement, l'instrument nécessitait également une résolution spatiale suffisamment élevée pour mesurer les échantillons de semi-conducteurs 2D, qui ne sont généralement disponibles qu'à l'échelle du micron.
"Quand nous avons résolu tous les problèmes techniques, et allumé l'instrument, en gros, sur notre écran, il y avait les excitons - c'était vraiment incroyable, " a déclaré le co-premier auteur, le Dr Michael Man, également de l'Unité de Spectroscopie Femtoseconde de l'OIST.
Les chercheurs ont vu que, comme prédit, il y avait à la fois des excitons brillants et sombres présents dans le matériau semi-conducteur. Mais à leur grande surprise, les scientifiques ont également découvert que les excitons sombres dominaient le matériau, surpassant en nombre les excitons brillants. L'équipe a en outre observé que dans certaines conditions, à mesure que les électrons excités se sont dispersés dans tout le matériau et ont changé de quantité de mouvement, les excitons pourraient basculer entre être brillants ou sombres.
"La dominance des excitons sombres et l'interaction entre les excitons sombres et brillants suggèrent que les excitons sombres ont un impact encore plus important que prévu sur cette nouvelle classe de semi-conducteurs, " a déclaré le Dr Madéo.
Cette technique est une véritable avancée, " a conclu le professeur Dani. " Non seulement il fournit la première observation des excitons sombres et illumine leurs propriétés, mais il inaugure une nouvelle ère dans l'étude des excitons et autres particules excitées."
