Fig 1 :Illustration de la formation d'excitons à l'aide d'énergie lumineuse. Dans le métal, on pense qu'un exciton se forme lorsque le trou laissé par un électron excité s'apparie avec un électron au niveau de Fermi. Crédit :Université de la ville de Hong Kong
Dans une première mondiale, une équipe co-dirigée par un physicien de la City University of Hong Kong (CityU) a découvert que les excitons – des électrons excités liés à des « trous » d'électrons vides – peuvent exister de manière stable et se déplacer rapidement à travers le métal. Parce que les excitons peuvent être générés par l'énergie de la lumière et n'ont pas de charge électrique, cette découverte en fait des candidats potentiels comme alternative à plus grande vitesse aux électrons libres en tant que porteurs d'informations numériques.
Les excitons se forment lorsque certains matériaux absorbent l'énergie de la lumière pour exciter les électrons, les particules chargées négativement dans les atomes. Les électrons sont stimulés à un niveau d'énergie plus élevé pour laisser des espaces chargés positivement ou "trous" dans leur position d'origine. En raison de l'attraction électrostatique, un trou et un électron excité peuvent s'apparier sans se recombiner, formant un exciton qui se comporte comme une particule non chargée (Fig 1).
"Lorsque l'électron d'un exciton se recombine avec un trou, de l'énergie est émise sous forme de lumière, qui pourrait être exploitée pour le transfert de données dans l'industrie optoélectronique", explique le co-chef de l'équipe, le Dr Ma Junzhang, professeur adjoint au département de physique de CityU. "Les excitons seraient de meilleurs supports de données que les électrons libres, dont la charge négative les ralentit, mais les excitons sont très instables, en particulier dans les métaux. En fait, avant notre étude, les excitons stables et mobiles étaient considérés comme impossibles dans les métaux."
Les chercheurs ont réussi à générer et à détecter des excitons dans le métal grâce à une combinaison de conditions de test optimales et de caractéristiques uniques du matériau choisi, le triséléniure de tantale, TaSe3 . La recherche a été dirigée par CityU et l'Institut Paul Scherrer (PSI) en Suisse, et les résultats ont été publiés dans Nature Materials dans un article intitulé "Multiple mobile excitons manifest as sidebands in quasi-one-dimensional metallic TaSe3 ." Les co-auteurs correspondants de l'article étaient le Dr Ma Junzhang, le professeur Shi Ming et le Dr Markus Müller du PSI. Parmi les collaborateurs figuraient des chercheurs de l'Université Rutgers, de l'Université de Princeton, de l'Université de Stanford et d'autres institutions.
Fig 2 :Schéma de la structure cristalline de TaSe3, montrant une couche de chaînes triangulaires parallèles d'atomes. Crédit :Ma Junzhang, et al.
Importance des excitons en tant que supports d'informations robustes
L'exciton devrait jouer un rôle important dans l'avenir de la transmission d'informations grâce à la fois à sa neutralité de charge et à sa capacité à se déplacer dans un solide. Contrairement aux électrons libres chargés négativement, les excitons ne sont pas gênés par les champs électriques externes, les champs magnétiques et les défauts du matériau environnant.
"Les excitons sont des supports d'informations potentiellement plus robustes et efficaces que les électrons libres conducteurs, qui transmettent nos informations aujourd'hui", explique le Dr Ma. "Même si des excitons ont été trouvés dans des semi-conducteurs et ont été utilisés pour concevoir des transistors à effet de champ, des phototransistors, des diodes électroluminescentes et des cellules solaires en laboratoire, presque tous les excitons observés expérimentalement se déplacent très lentement, ce qui limite considérablement leur efficacité dans le transfert d'informations. ."
Plus important encore, les excitons sont restés insaisissables dans les métaux. Ils sont rarement signalés pour les métaux en raison de l'abondance d'électrons conducteurs libres. Ces électrons libres atténuent l'attraction entre tout trou singulier et électron (connu sous le nom de blindage), supprimant ainsi la formation d'excitons. Tous les excitons capables de se former dans les métaux sont trop instables pour une utilisation pratique et même une observation expérimentale.
Les expériences optiques conventionnelles pour détecter les excitons ont également de sérieuses limitations techniques.
Mais maintenant, en utilisant une technique puissante et sensible appelée spectroscopie de photoémission résolue en angle (ou ARPES) pour analyser la structure de bande électronique dans un solide cristallin aux propriétés spéciales (TaSe3 ), l'équipe CityU et PSI ont fait une percée dans l'étude des excitons dans les métaux. À savoir, ils ont découvert l'existence d'excitons robustes se déplaçant à grande vitesse à travers un métal.
Fig 3 :Au cours de la spectroscopie de photoémission résolue en angle (ARPES), un électron est éjecté dans le vide et un exciton se forme lorsque le trou laissé par l'électron s'apparie avec un électron au niveau de Fermi. Les chercheurs ont pu mieux comprendre les excitons qui se forment et se déplacent à l'intérieur du TaSe3 échantillon en mesurant l'énergie des électrons émis dans le vide. Crédit :Université de la ville de Hong Kong
Conception expérimentale
Dans leur quête pour trouver des excitons stables dans les métaux, l'équipe de recherche s'est tournée vers le composé métallique TaSe3 pour sa faible densité d'électrons conducteurs libres et donc son mauvais effet d'écran, afin de maximiser les chances de formation d'excitons. De plus, TaSe3 se compose de couches empilées de chaînes triangulaires parallèles de prismes de sélénium renfermant des atomes de tantale métallique (Fig 2). Il se comporte donc comme un métal unidimensionnel, permettant aux excitons de se déplacer le long d'une trajectoire rectiligne spécifique, car les chaînes unidimensionnelles sont comme des voies ferrées à grande vitesse.
L'équipe a prédit que la soi-disant quasi-unidimensionnalité de TaSe3 améliorerait l'attraction entre les électrons et les trous dans les excitons, tout en permettant aux deux composants chargés d'être dans des couches et des chaînes différentes. De cette façon, les trous et les électrons seraient séparés les uns des autres et éviteraient de se mélanger, empêchant ainsi l'annihilation des excitons et prolongeant leur durée de vie.
En utilisant ARPES, les chercheurs ont systématiquement enregistré la structure électronique de TaSe3 . L'instrument a projeté un faisceau étroit de lumière à haute énergie sur l'échantillon pour exciter les électrons afin qu'ils s'échappent dans le vide, tout en activant les excitons dans le TaSe3 (Fig 3). L'équipement ARPES a analysé les angles et l'énergie des électrons échappés pour révéler des informations sur la présence, la structure et le mouvement des excitons.
Nouveau modèle théorique des excitons mobiles
Fig 4 :Illustration représentant différents sous-types d'excitons identifiés dans l'étude. L'équipe a découvert que les excitons de TaSe3 possèdent au moins trois structures internes différentes :intrachaîne (en rose), interchaîne (en rouge) et trion (en bleu) formé de deux électrons et d'un trou. Crédit :Ma Junzhang
Après avoir exclu d'autres mécanismes plausibles, l'équipe a conclu que tous les phénomènes observés dans leurs expériences ARPES pouvaient être bien expliqués par la présence de plusieurs sous-types stables d'excitons mobiles se déplaçant à grande vitesse le long d'une dimension. Le Dr Müller, en collaboration avec le physicien théoricien Christopher Mudry du PSI, a ensuite développé un modèle théorique complet des excitons mobiles dans les métaux unidimensionnels. Le modèle théorique a démontré un bon accord avec les résultats des expériences.
Une caractéristique importante du modèle est une explication des multiples sous-types d'excitons détectés (Fig 4). L'équipe a conclu que les excitons dans TaSe3 possèdent au moins trois structures internes différentes en fonction de deux variables. La première variable est de savoir si un trou se lie à un électron (formant un exciton) ou à deux électrons (formant un trion). La deuxième variable est de savoir si les trous et les électrons appartiennent et voyagent le long du même TaSe3 chaîne (entraînant des excitons intrachaînes) ou des chaînes voisines (entraînant des excitons interchaînes et des trions interchaînes).
Les résultats sont significatifs, car on pensait auparavant que les excitons stables ne pouvaient pas exister dans les métaux. L'étude a également démontré pour la première fois que les excitons peuvent se déplacer rapidement dans un métal le long d'une direction spécifique, ce qui augmenterait en pratique l'efficacité du transfert de données. De plus, l'équipe a montré expérimentalement que certaines propriétés des excitons dans TaSe3 peut être manipulé et contrôlé par modification de surface (dopage électronique) avec de la vapeur de potassium.
Les découvertes et le nouveau modèle théorique fournissent non seulement une feuille de route pour l'étude plus approfondie des excitons, en particulier dans les métaux, mais favorisent également leur application en tant que supports d'informations à grande vitesse dans les dispositifs conducteurs à l'avenir.
"Nos travaux ouvrent désormais la voie à la génération d'excitons mobiles à grande vitesse mais accordables dans les métaux", déclare le Dr Ma. "Ce nouveau domaine et cette nouvelle direction feront progresser la recherche et le développement dans les dispositifs informatiques et de communication qui transmettent des informations optoélectroniques." "Exciton surfing" pourrait activer les technologies énergétiques, informatiques et de communication de nouvelle génération
