A des températures extrêmement basses, la matière se comporte souvent différemment que dans des conditions normales. À des températures de quelques degrés seulement au-dessus du zéro absolu (-273 degrés Celsius), les particules physiques peuvent abandonner leur indépendance et fusionner pendant un court instant en un seul objet dans lequel toutes les particules partagent les mêmes propriétés. De telles structures sont connues sous le nom de condensats de Bose-Einstein, et ils représentent un état agrégé spécial de la matière.

Une équipe internationale de chercheurs dirigée par les physiciens Dr Carlos Anton-Solanas et le professeur Christian Schneider de l'Université d'Oldenburg a réussi pour la première fois à générer cet état quantique inhabituel dans des complexes porteurs de charge qui sont étroitement liés aux particules légères et situés dans feuilles semi-conductrices ultrafines constituées d'une seule couche d'atomes. Comme l'équipe le rapporte dans la revue scientifique Matériaux naturels , ce processus produit une lumière similaire à celle générée par un laser. Cela signifie que le phénomène pourrait être utilisé pour créer les lasers à solide les plus petits possibles.

Le travail est le résultat d'une collaboration entre les chercheurs d'Oldenburg et les groupes de recherche du professeur Sven Höfling et du professeur Sebastian Klembt de l'Université de Würzburg (Allemagne), Professeur Sefaattin Tongay de l'Arizona State University (États-Unis), Professeur Alexey Kavokin de l'Université Westlake (Chine), et le professeur Takashi Taniguchi et le professeur Kenji Watanabe de l'Institut national des sciences des matériaux de Tsukuba (Japon).

L'étude se concentre sur les quasi-particules constituées à la fois de matière et de lumière, connu sous le nom d'excitons-polaritons - le produit de forts couplages entre les électrons excités dans les solides et les particules légères (photons). Ils se forment lorsque les électrons sont stimulés par la lumière laser dans un état d'énergie plus élevé. Après un court laps de temps de l'ordre d'un billionième de seconde, les électrons retournent à leur état fondamental en réémettant des particules lumineuses.

Lorsque ces particules sont piégées entre deux miroirs, ils peuvent à leur tour exciter de nouveaux électrons, un cycle qui se répète jusqu'à ce que la particule lumineuse s'échappe du piège. Les particules hybrides lumière-matière qui sont créées dans ce processus sont appelées excitons-polaritons. Ils combinent des propriétés intéressantes des électrons et des photons et se comportent de manière similaire à certaines particules physiques appelées bosons. "Les dispositifs capables de contrôler ces nouveaux états de la matière lumineuse sont la promesse d'un saut technologique par rapport aux circuits électroniques actuels, " a déclaré l'auteur principal Anton-Solanas, chercheur postdoctoral au sein du Quantum Materials Group de l'Institut de physique de l'Université d'Oldenburg. De tels circuits optoélectroniques, qui fonctionnent à la lumière au lieu du courant électrique, pourrait être meilleur et plus rapide à traiter l'information que les processeurs d'aujourd'hui.

Dans la nouvelle étude, l'équipe dirigée par Anton-Solanas et Schneider a étudié les excitons-polaritons dans des cristaux ultrafins constitués d'une seule couche d'atomes. Ces cristaux bidimensionnels ont souvent des propriétés physiques inhabituelles. Par exemple, le matériau semi-conducteur utilisé ici, diséléniure de molybdène, est très réactif à la lumière.

Les chercheurs ont construit des feuilles de diséléniure de molybdène de moins d'un nanomètre (un milliardième de mètre) d'épaisseur et ont pris en sandwich le cristal bidimensionnel entre deux couches d'autres matériaux qui reflètent les particules lumineuses comme le font les miroirs. "Cette structure agit comme une cage de lumière, " expliqua Anton-Solanas. Les physiciens appellent cela une "microcavité".

Anton-Solanas et ses collègues ont refroidi leur installation à quelques degrés au-dessus du zéro absolu et ont stimulé la formation d'excitons-polaritons à l'aide de courtes impulsions de lumière laser. Au-dessus d'une certaine intensité, ils ont observé une augmentation soudaine des émissions lumineuses de leur échantillon. Cette, avec d'autres preuves, leur a permis de conclure qu'ils avaient réussi à créer un condensat de Bose-Einstein à partir d'excitons-polaritons.

"En théorie, ce phénomène pourrait être utilisé pour construire des sources lumineuses cohérentes basées sur une seule couche d'atomes, " a déclaré Anton-Solanas. " Cela signifierait que nous avons créé le plus petit laser à l'état solide possible. " Les chercheurs sont convaincus qu'avec d'autres matériaux, l'effet pourrait également être produit à température ambiante, de sorte qu'à long terme, il conviendrait également à des applications pratiques. Les premières expériences de l'équipe allant dans ce sens ont déjà été couronnées de succès.