Les matériaux constitués de quelques couches atomiques présentent des propriétés déterminées par la physique quantique. Dans un empilement de telles couches, les vibrations des atomes peuvent être déclenchées par la lumière infrarouge. De nouveaux travaux expérimentaux et théoriques montrent que les vibrations atomiques au sein des couches de nitrure de bore hexagonal, les phonons optiques dits transversaux, coupler directement aux mouvements des couches les unes contre les autres. Pendant une durée d'environ 20 ps, le couplage se traduit par une descente en fréquence des phonons optiques et de leur résonance optique. Ce comportement est une véritable propriété du matériau quantique et intéressant pour des applications en optoélectronique haute fréquence.

Le nitrure de bore hexagonal est constitué de couches dans lesquelles des atomes de bore et d'azote liés de manière covalente forment un réseau régulier de six cycles (Fig. 1). Les couches voisines sont couplées via l'interaction beaucoup plus faible de van der Waals. Vibrations des atomes de bore et d'azote dans la couche, les phonons dits optiques transverses (TO), montrent une fréquence d'oscillation de l'ordre de 40 Térahertz (THz, 4×10 ¹³ vibrations par seconde) qui est dix à cent fois plus élevée que celle des mouvements de cisaillement et de respiration des couches les unes par rapport aux autres. Jusque là, il n'y avait presque aucune idée de la durée de vie de tels mouvements après excitation optique et de leur couplage.

Une collaboration internationale de scientifiques de Berlin, Montpellier, Nantes, Paris et Ithaca (États-Unis) présente maintenant des résultats expérimentaux et théoriques détaillés sur la dynamique ultrarapide des phonons couplés dans le nitrure de bore hexagonal à quelques couches ( Examen physique B 104, L140302 (2021)). Les phonons optiques transverses (TO) dans un empilement de huit à neuf couches de nitrure de bore affichent une durée de vie de 1,2 ps (1 ps =10 ^-12 s), tandis que les modes de cisaillement et de respiration montrent un temps de décroissance de 22 ps (Fig. 2b). De telles durées de vie ont été mesurées directement dans des expériences de pompe-sonde femtoseconde et sont en très bon accord avec les valeurs dérivées d'une analyse théorique des canaux de désintégration des phonons.