Des chercheurs de l'ETH Zurich ont réussi pour la première fois à piéger des excitons - des quasi-particules constituées d'électrons chargés négativement et de trous chargés positivement - dans un matériau semi-conducteur à l'aide de champs électriques contrôlables. La nouvelle technique est importante pour la création de sources de photons uniques ainsi que pour la recherche fondamentale.

Dans les matériaux semi-conducteurs, le courant électrique peut être conduit à la fois par des électrons et par des trous chargés positivement, ou des électrons manquants. La lumière frappant le matériau peut également exciter les électrons vers une bande d'énergie plus élevée, laissant un trou dans la bande d'origine. Par attraction électrostatique, l'électron et le trou se combinent maintenant pour créer ce qu'on appelle un exciton, une quasi-particule qui, dans son ensemble, se comporte comme une particule neutre. En raison de leur neutralité, il a jusqu'à présent été difficile de maintenir les excitons en un point spécifique à l'intérieur d'un matériau.

Une équipe de scientifiques dirigée par Ataç Imamoğlu, professeur au département de physique, Puneet Murthy, postdoc dans son groupe, et David Norris, professeur au département de génie mécanique et des procédés, ont maintenant réussi pour la première fois à piéger des excitons dans un minuscule l'espace à l'aide de champs électriques contrôlables, et démontrant également la quantification de leur mouvement. Les chercheurs espèrent que leurs résultats, récemment publiés dans la revue scientifique Nature , conduira à des progrès vers des applications dans les technologies optiques ainsi qu'à de nouvelles connaissances sur les phénomènes physiques fondamentaux.

Une interface importante

"Les excitons jouent un rôle important à l'interface entre les semi-conducteurs et la lumière", explique Murthy. Ils sont utilisés, par exemple, dans les capteurs de lumière, les cellules solaires ou même de nouvelles sources de photons uniques pour les technologies quantiques. Les piéger de manière contrôlée est un objectif ambitieux de la recherche en physique du solide depuis de nombreuses années.

Les chercheurs de l'ETH créent leurs pièges à excitons en prenant en sandwich une fine couche de diséléniure de molybdène, un matériau semi-conducteur, entre deux isolants et en ajoutant une électrode en haut et en bas. Dans cette configuration, l'électrode supérieure ne recouvre qu'une partie du matériau. En conséquence, l'application d'une tension crée un champ électrique dont l'intensité dépend de la position à l'intérieur du matériau. Ceci, à son tour, provoque l'accumulation de trous chargés positivement à l'intérieur du semi-conducteur directement sous l'électrode supérieure, tandis qu'ailleurs les électrons chargés négativement s'accumulent. Dans le plan du semi-conducteur, un champ électrique apparaît donc entre ces deux zones.

Mouvement d'exciton quantifié

"Ce champ électrique, qui change fortement sur une courte distance, peut piéger très efficacement les excitons dans le matériau", explique Deepankur Thureja, Ph.D. étudiant et auteur principal de l'article qui a réalisé les expériences avec Murthy. Bien que les excitons soient électriquement neutres, ils peuvent être polarisés par des champs électriques, ce qui signifie que l'électron et le trou de l'exciton sont un peu plus éloignés l'un de l'autre. Il en résulte un champ dipolaire électrique, qui interagit avec le champ extérieur et exerce ainsi une force sur l'exciton.

Pour démontrer expérimentalement que ce principe fonctionne réellement, les chercheurs ont éclairé le matériau avec une lumière laser de différentes longueurs d'onde et ont mesuré la réflexion de la lumière dans chaque cas. Ce faisant, ils ont observé une série de résonances, ce qui signifie qu'à certaines longueurs d'onde, la lumière était réfléchie plus fortement que prévu. De plus, les résonances pourraient être réglées en modifiant la tension sur les électrodes. "Pour nous, c'était un signe clair que les champs électriques créaient un piège pour les excitons et que le mouvement des excitons à l'intérieur de ce piège était quantifié", explique Thureja. Quantifié signifie ici que les excitons ne peuvent prendre que certains états d'énergie bien définis, un peu comme les électrons à l'intérieur d'un atome. À partir des positions des résonances, Imamoğlu et ses collègues ont pu déduire que le piège à excitons créé par les champs électriques avait moins de dix nanomètres de large.

Applications au traitement de l'information quantique

De tels excitons fortement piégés sont extrêmement importants à la fois pour les applications pratiques et les questions de base, déclare Murthy :« Jusqu'à présent, les pièges à excitons contrôlables électriquement étaient un maillon manquant dans la chaîne. Par exemple, les physiciens peuvent désormais enchaîner de nombreux excitons piégés et les ajuster de manière à ce qu'ils émettent des photons ayant exactement les mêmes propriétés. "Cela permettrait de créer des sources de photons uniques identiques pour le traitement de l'information quantique", explique Murthy. Et Imamoğlu d'ajouter :"Ces pièges ouvrent également de nouvelles perspectives pour la recherche fondamentale. Ils nous permettront entre autres d'étudier les états hors d'équilibre d'excitons en interaction forte." + Explorer plus loin

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