Lorsque les physiciens tracent la structure des bandes, ils constatent généralement que les courbes qui en résultent ressemblent à des montagnes et à des vallées. En fait, le terme technique désignant un maximum ou un minimum d'énergie local dans les bandes est appelé « vallée », et le domaine qui étudie et exploite la façon dont les électrons dans le matériau passent d'une vallée à l'autre est appelé « valleytronique ». P>

Dans l’électronique standard des semi-conducteurs, la charge électrique des électrons est la propriété la plus utilisée pour coder et manipuler des informations. Mais ces particules ont d'autres propriétés qui pourraient également être utilisées dans le même but, comme la vallée dans laquelle elles se trouvent. Au cours de la dernière décennie, l'objectif principal de la valléetronique a été d'atteindre la population de vallée de contrôle (également connue sous le nom de polarisation de vallée) dans matériaux.

Une telle réalisation pourrait être utilisée pour créer des portes et des bits classiques et quantiques, ce qui pourrait réellement stimuler le développement de l'informatique et du traitement de l'information quantique.

Les tentatives précédentes présentaient plusieurs inconvénients. Par exemple, la lumière utilisée pour manipuler et modifier la polarisation de la vallée devait être résonante; c'est-à-dire que l'énergie de ses photons (les particules qui constituent la lumière) devait correspondre exactement à l'énergie de la bande interdite de ce matériau particulier.

Tout petit écart réduisait l’efficacité de la méthode, donc, à condition que chaque matériau ait ses propres bandes interdites, généraliser le mécanisme proposé semblait hors de portée. De plus, ce processus n'avait été réalisé que pour des structures monocouches (matériaux 2D, d'une épaisseur d'un atome seulement).

Cette exigence a entravé sa mise en œuvre pratique, car les monocouches sont généralement limitées en taille et en qualité et difficiles à concevoir.

Aujourd'hui, les chercheurs de l'ICFO Igor Tyulnev, Julita Poborska et le Dr Lenard Vamos, dirigés par le professeur ICREA Jens Biegert, en collaboration avec des chercheurs du Max-Born-Institute, de l'Institut Max-Planck pour la science de la lumière et de l'Instituto de Ciencia de Materiales de Madrid a trouvé une nouvelle méthode universelle pour induire une polarisation de vallée dans des matériaux en vrac centrosymétriques.

La découverte, publiée dans Nature , ouvre la possibilité de contrôler et de manipuler la population de la vallée sans être limité par le matériau spécifique choisi.

En même temps, la méthode peut être utilisée pour obtenir une caractérisation plus détaillée des cristaux et des matériaux 2D.

La polarisation des vallées dans les matériaux en vrac est possible

L'aventure a commencé avec le groupe expérimental dirigé par le professeur ICREA de l'ICFO Jens Biegert, qui souhaitait initialement produire expérimentalement une polarisation de vallée en utilisant leur méthode particulière dans des matériaux 2D, en suivant les lignes de ce qui avait été prouvé théoriquement dans un précédent article théorique d'Álvaro Jiménez. , Rui Silva et Misha Ivanov.

Pour mettre en place l'expérience, la mesure initiale a été tentée sur du MoS₂ en vrac. (un matériau en vrac composé de nombreuses monocouches empilées ensemble) avec le résultat surprenant qu'ils ont vu la signature de la polarisation des vallées. "Lorsque nous avons commencé à travailler sur ce projet, nos collaborateurs théoriques nous ont dit qu'il était impossible de montrer la polarisation des vallées dans des matériaux en vrac", explique Poborska.

L’équipe théorique remarque également qu’au tout début leur modèle n’était adapté qu’à des couches 2D uniques. "À première vue, il semblait que l'ajout de couches supplémentaires entraverait la sélection de vallées spécifiques dans l'échantillon. Cependant, après les premiers résultats expérimentaux, nous avons ajusté la simulation aux matériaux en vrac, et cela a étonnamment bien validé les observations. Nous n'avons même pas essayez d'adapter n'importe quoi. C'est comme ça que ça s'est passé", ajoute le professeur Misha Ivanov, le leader théoricien.

En fin de compte, "il s'est avéré que oui, vous pouvez effectivement polariser par vallée des matériaux en vrac qui sont à symétrie centrale en raison des conditions de symétrie", conclut Poborska.

Comme l'explique Igor Tyulnev, premier auteur de l'article, « notre expérience consistait à créer une impulsion lumineuse intense avec une polarisation adaptée à cette structure interne. Le résultat fut ce que l'on appelle le « champ de trèfle », dont la symétrie correspondait au sous-champ triangulaire. réseaux qui constituent des matériaux hexagonaux hétéro-atomiques."

Ce champ fort adapté à la symétrie brise la symétrie spatiale et temporelle au sein du matériau et, plus important encore, la configuration résultante dépend de l'orientation du champ du trèfle par rapport au matériau. Par conséquent, "en faisant simplement tourner le champ lumineux incident, nous avons pu moduler la polarisation des vallées", conclut Tyulnev, une réalisation majeure dans ce domaine et une confirmation d'une nouvelle technique universelle capable de contrôler et de manipuler les vallées électroniques dans des matériaux en vrac.

Le processus expérimental

L'expérience peut être expliquée en trois étapes principales :Premièrement, la synthèse du champ trèfle; puis sa caractérisation; et enfin, la production réelle de polarisation de vallée.

Les chercheurs soulignent l’incroyable précision requise par le processus de caractérisation, car le champ trèfle est constitué non pas d’un mais de deux champs optiques combinés de manière cohérente. L’un d’eux devait être polarisé circulairement dans une direction, et l’autre devait être la deuxième harmonique du premier faisceau, polarisée dans le sens opposé. Ils ont superposé ces champs les uns sur les autres afin que la polarisation totale dans le temps trace la forme de trèfle souhaitée.

Trois ans après les premières tentatives expérimentales, Igor Tyulnev est enthousiasmé par le récent Nature publication. Cette parution dans une revue aussi prestigieuse reconnaît la nouvelle méthode universelle qui, comme il le déclare, "peut être utilisée non seulement pour contrôler les propriétés d'une grande variété d'espèces chimiques, mais également pour caractériser des cristaux et des matériaux 2D".

Comme le remarque le professeur ICREA de l'ICFO Jens Biegert :« Notre méthode peut fournir un ingrédient important pour concevoir des matériaux économes en énergie pour un stockage efficace des informations et une commutation rapide. Cela répond au besoin pressant de dispositifs à faible consommation d'énergie et d'une vitesse de calcul accrue. Je ne peux pas promettre. que ce que nous avons apporté est LA solution, mais c'est probablement une solution à ce grand défi."