Un nouvel outil qui utilise la lumière pour cartographier les structures électroniques des cristaux pourrait révéler les capacités des matériaux quantiques émergents et ouvrir la voie aux technologies énergétiques avancées et aux ordinateurs quantiques, selon des chercheurs de l'Université du Michigan, Université de Ratisbonne et Université de Marbourg.

Un article sur le travail est publié dans Science .

Les applications incluent les lumières LED, cellules solaires et photosynthèse artificielle.

"Les matériaux quantiques pourraient avoir un impact bien au-delà de l'informatique quantique, " dit Mackillo Kira, professeur de génie électrique et d'informatique à l'Université du Michigan, qui a dirigé la partie théorique de la nouvelle étude. "Si vous optimisez correctement les propriétés quantiques, vous pouvez obtenir une efficacité de 100 % pour l'absorption de la lumière."

Les cellules solaires à base de silicium deviennent déjà la forme d'électricité la moins chère, bien que leur efficacité de conversion de la lumière du soleil en électricité soit plutôt faible, environ 30%. Semi-conducteurs émergents « 2D », qui se composent d'une seule couche de cristal, pourrait faire beaucoup mieux, en utilisant potentiellement jusqu'à 100 % de la lumière du soleil. Ils pourraient également élever l'informatique quantique à la température ambiante à partir des machines proches du zéro absolu démontrées jusqu'à présent.

« De nouveaux matériaux quantiques sont maintenant découverts à un rythme plus rapide que jamais, " a déclaré Rupert Huber, professeur de physique à l'Université de Ratisbonne en Allemagne, qui a dirigé le travail expérimental. "En empilant simplement ces couches les unes sur les autres sous des angles de torsion variables, et avec un large choix de matériaux, les scientifiques peuvent désormais créer des solides artificiels dotés de propriétés vraiment sans précédent. »

La capacité de cartographier ces propriétés jusqu'aux atomes pourrait aider à rationaliser le processus de conception de matériaux avec les bonnes structures quantiques. Mais ces matériaux ultrafins sont beaucoup plus petits et plus salissants que les cristaux antérieurs, et les anciennes méthodes d'analyse ne fonctionnent pas. Maintenant, Les matériaux 2D peuvent être mesurés avec la nouvelle méthode laser à température et pression ambiantes.

Les opérations mesurables incluent les processus qui sont essentiels aux cellules solaires, lasers et informatique quantique à commande optique. Essentiellement, les électrons sautent entre un "état fondamental, " dans lequel ils ne peuvent pas voyager, et les états dans la "bande de conduction du semi-conducteur, " dans lequel ils sont libres de se déplacer dans l'espace. Ils le font en absorbant et en émettant de la lumière.

La méthode de cartographie quantique utilise une impulsion de 100 femtosecondes (100 quadrillions de seconde) de lumière laser rouge pour faire sortir les électrons de l'état fondamental et les faire entrer dans la bande de conduction. Ensuite, les électrons sont frappés par une seconde impulsion de lumière infrarouge. Cela les pousse à osciller de haut en bas dans une "vallée" d'énergie dans la bande de conduction, un peu comme des skateurs dans un half-pipe.

L'équipe utilise la nature double onde/particule des électrons pour créer un motif d'onde stationnaire qui ressemble à un peigne. Ils ont découvert que lorsque le pic de ce peigne d'électrons chevauche la structure de bande du matériau - sa structure quantique - les électrons émettent intensément de la lumière. Cette puissante émission de lumière le long, avec la faible largeur des lignes de peigne, a aidé à créer une image si nette que les chercheurs l'appellent la super-résolution.

En combinant ces informations de localisation précises avec la fréquence de la lumière, l'équipe a pu cartographier la structure de bande du diséléniure de tungstène semi-conducteur 2-D. Non seulement que, mais ils pourraient également obtenir une lecture du moment angulaire orbital de chaque électron grâce à la façon dont le front de l'onde lumineuse se tord dans l'espace. Manipuler le moment angulaire orbital d'un électron, connu aussi sous le nom de pseudospin, est une voie prometteuse pour le stockage et le traitement de l'information quantique.

Dans le diséléniure de tungstène, le moment angulaire orbital identifie laquelle des deux « vallées » différentes occupe un électron. Les messages que les électrons envoient peuvent montrer aux chercheurs non seulement dans quelle vallée se trouvait l'électron, mais aussi à quoi ressemble le paysage de cette vallée et à quelle distance les vallées sont éloignées, qui sont les éléments clés nécessaires pour concevoir de nouveaux dispositifs quantiques à base de semi-conducteurs.

Par exemple, lorsque l'équipe a utilisé le laser pour pousser les électrons le long d'une vallée jusqu'à ce qu'ils tombent dans l'autre, les électrons ont émis de la lumière à ce point de goutte, trop. Cette lumière donne des indices sur les profondeurs des vallées et la hauteur de la crête entre elles. Avec ce genre d'informations, les chercheurs peuvent déterminer comment le matériel s'en tirerait à diverses fins.

Le papier est intitulé, "Tomographie par ondes lumineuses à super-résolution des bandes électroniques dans les matériaux quantiques."