Représentation artistique montrant les couches torsadées de diséléniure de tungstène (en haut) et de bisulfure de molybdène (en bas). Suite à une excitation par la lumière, une multitude d'excitons optiquement "sombres" se forment entre les couches. Ces excitons "noirs" sont des paires électron-trou liées par interaction de Coulomb (sphères claires et sombres reliées par des lignes de champ), qui ne peuvent pas être observées directement en lumière visible. L'une des quasiparticules les plus intéressantes est "l'exciton intercouche moiré" - représenté au milieu de l'image - dans lequel le trou est situé dans une couche et l'électron dans l'autre. La formation de ces excitons à l'échelle de temps femtoseconde et l'influence du potentiel de moiré (illustré par des pics et des creux dans les couches) ont été étudiées dans l'étude actuelle en utilisant la microscopie d'impulsion de photoémission femtoseconde et la théorie de la mécanique quantique. Crédit :Brad Baxley, Part to Whole, LLC
Une équipe de recherche internationale dirigée par l'Université de Göttingen a, pour la première fois, observé l'accumulation d'un phénomène physique qui joue un rôle dans la conversion de la lumière solaire en énergie électrique dans des matériaux 2D. Les scientifiques ont réussi à rendre visibles les quasi-particules, connues sous le nom d'excitons intercouches de moiré sombres, et à expliquer leur formation à l'aide de la mécanique quantique. Les chercheurs montrent comment une technique expérimentale nouvellement développée à Göttingen, la microscopie à impulsion de photoémission femtoseconde, fournit des informations approfondies au niveau microscopique, qui seront pertinentes pour le développement de technologies futures. Les résultats ont été publiés dans Nature .
Les structures atomiquement minces constituées de matériaux semi-conducteurs bidimensionnels sont des candidats prometteurs pour les futurs composants de l'électronique, de l'optoélectronique et du photovoltaïque. Fait intéressant, les propriétés de ces semi-conducteurs peuvent être contrôlées de manière inhabituelle :comme les briques Lego, les couches atomiquement minces peuvent être empilées les unes sur les autres.
Cependant, il existe une autre astuce importante :alors que les briques Lego ne peuvent être empilées que sur le dessus, que ce soit directement ou torsadées à un angle de 90 degrés, l'angle de rotation dans la structure des semi-conducteurs peut être modifié. C'est précisément cet angle de rotation qui est intéressant pour la production de nouveaux types de cellules solaires. Cependant, bien que changer cet angle puisse révéler des percées pour les nouvelles technologies, cela conduit également à des défis expérimentaux.
En fait, les approches expérimentales typiques n'ont qu'un accès indirect aux excitons de la couche intermédiaire de moiré, par conséquent, ces excitons sont communément appelés excitons "sombres". "Avec l'aide de la microscopie d'impulsion de photoémission femtoseconde, nous avons en fait réussi à rendre visibles ces excitons sombres", explique le Dr Marcel Reutzel, chef de groupe de recherche junior à la Faculté de physique de l'Université de Göttingen. "Cela nous permet de mesurer comment les excitons se forment à une échelle de temps d'un millionième de millionième de milliseconde. Nous pouvons décrire la dynamique de la formation de ces excitons en utilisant la théorie de la mécanique quantique développée par le groupe de recherche du professeur Ermin Malic à Marburg. "
"Ces résultats nous donnent non seulement un aperçu fondamental de la formation des excitons de l'intercouche de moiré sombre, mais ouvrent également une toute nouvelle perspective pour permettre aux scientifiques d'étudier les propriétés optoélectroniques de nouveaux matériaux fascinants", déclare le professeur Stefan Mathias, directeur du étudie à la faculté de physique de l'université de Göttingen. "Cette expérience est révolutionnaire car, pour la première fois, nous avons détecté la signature du potentiel Moiré imprimé sur l'exciton, c'est-à-dire l'impact des propriétés combinées des deux couches semi-conductrices torsadées. Dans le futur, nous allons étudier davantage cet effet spécifique pour en savoir plus sur les propriétés des matériaux résultants."
Cette recherche a été publiée dans Nature . Semi-conducteurs atomiquement minces pour la nanophotonique
