Un flocon de graphène a été cultivé sur du cuivre et transféré sur un substrat isolant de dioxyde de silicium. L'énergie de Fermi dans le graphène a été ajustée en faisant varier la tension de grille sur le gel ionique sus-jacent, qui confine un liquide fortement conducteur dans une matrice polymère. Crédit :Lawrence Berkeley National Laboratory
Des scientifiques du Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) et de l'Université de Californie, Berkeley a appris à contrôler les voies quantiques déterminant la façon dont la lumière se diffuse dans le graphène. La diffusion contrôlée fournit un nouvel outil pour l'étude de ce matériau unique - le graphène est une seule feuille de carbone d'une épaisseur d'un atome seulement - et peut pointer vers des applications pratiques pour contrôler la lumière et les états électroniques dans les nanodispositifs de graphène.
L'équipe de recherche, dirigé par Feng Wang de la division des sciences des matériaux du Berkeley Lab, fait la première observation directe, en graphène, d'interférences dites quantiques dans la diffusion Raman. La diffusion Raman est une forme de diffusion de la lumière « inélastique ». Contrairement à la diffusion élastique, dans laquelle la lumière diffusée a la même couleur (la même énergie) que la lumière incidente, la lumière diffusée de manière inélastique perd de l'énergie ou en gagne.
La diffusion Raman se produit dans le graphène et d'autres cristaux lorsqu'un photon entrant, une particule de lumière, excite un électron, qui à son tour génère un phonon avec un photon de plus faible énergie. Les phonons sont des vibrations du réseau cristallin, qui sont également traitées comme des particules par la mécanique quantique.
Les particules quantiques sont autant des ondes que des particules, afin qu'ils puissent interférer les uns avec les autres et même avec eux-mêmes. Les chercheurs ont montré que l'émission de lumière peut être contrôlée en contrôlant ces voies d'interférence. Ils présentent leurs résultats dans un prochain numéro de la revue La nature , maintenant disponible dans la publication en ligne anticipée.
Manipuler les interférences quantiques, dans la vie et au labo
"Un exemple familier d'interférence quantique dans la vie quotidienne est le revêtement antireflet sur les lunettes, " dit Wang, qui est également professeur adjoint de physique à l'UC Berkeley. "Un photon peut suivre deux chemins, diffusion du revêtement ou du verre. En raison de sa nature quantique, il suit en fait les deux, et le revêtement est conçu de manière à ce que les deux voies interfèrent l'une avec l'autre et annulent la lumière qui, autrement, provoquerait une réflexion."
Les voies quantiques de la diffusion Raman sont des excitations électroniques stimulées optiquement possibles uniquement si l'état électronique initial est rempli et l'état final est vide (en haut). Au fur et à mesure que les voies sont supprimées en dopant le graphène et en abaissant l'énergie de Fermi (en bas), la lumière de la diffusion peut augmenter ou diminuer, selon que les voies supprimées interfèrent de manière constructive ou destructive avec les voies restantes. Crédit :Lawrence Berkeley National Laboratory
Wang ajoute, "La caractéristique de la mécanique quantique est que si les différents chemins ne sont pas distinguables, ils doivent toujours interférer les uns avec les autres. Nous pouvons manipuler les interférences entre les voies quantiques qui sont responsables de la diffusion Raman dans le graphène en raison de la structure électronique particulière du graphène. »
Dans la diffusion Raman, les voies quantiques sont des excitations électroniques, qui sont stimulés optiquement par les photons entrants. Ces excitations ne peuvent se produire que lorsque l'état électronique initial est rempli (par une particule chargée comme un électron), et l'état électronique final est vide.
La mécanique quantique décrit les électrons remplissant les états électroniques disponibles d'un matériau tout comme l'eau remplit l'espace dans un verre :la « surface de l'eau » est appelée le niveau de Fermi. Tous les états électroniques en dessous sont remplis et tous les états au dessus sont vides. Les états remplis peuvent être réduits en "dopant" le matériau afin de décaler l'énergie de Fermi plus bas. Lorsque l'énergie de Fermi est abaissée, les états électroniques juste au dessus sont supprimés, et les voies d'excitation provenant de ces états sont également supprimées.
"Nous avons pu contrôler les voies d'excitation du graphène en le dopant électrostatiquement - en appliquant une tension pour réduire l'énergie de Fermi et éliminer les états sélectionnés, " dit Wang. " Une chose étonnante à propos du graphène est que son énergie de Fermi peut être déplacée d'ordres de grandeur plus grands que les matériaux conventionnels. Cela est finalement dû à la bidimensionnalité du graphène et à ses bandes électroniques inhabituelles. »
L'énergie de Fermi du graphène non dopé est localisée en un seul point, où ses bandes remplies électroniquement, représenté graphiquement comme un cône pointant vers le haut, rencontrer ses bandes électroniquement vides, représenté par un cône pointant vers le bas. Déplacer sensiblement l'énergie de Fermi nécessite un fort champ électrique.
Membre de l'équipe Rachel Segalman, professeur agrégé de génie chimique à l'UC Berkeley et chercheur universitaire à la division des sciences des matériaux du Berkeley Lab, fourni le gel ionique qui était la clé du dispositif expérimental. Un gel ionique confine un liquide fortement conducteur dans une matrice polymère. Le gel a été déposé sur un flocon de graphène, cultivée sur du cuivre et transférée sur un substrat isolant. La charge dans le graphène a été ajustée par la tension de grille sur le gel ionique.
"Donc, en augmentant la tension, nous avons abaissé l'énergie de Fermi du graphène, se débarrasser séquentiellement des électrons de plus haute énergie, " dit Wang. Éliminer les électrons, des énergies les plus élevées jusqu'en bas, éliminé efficacement les voies qui, lorsqu'ils sont touchés par des photons entrants, pourrait les absorber puis émettre des photons diffusés par Raman.
Qu'est-ce qui vient de l'interférence, constructif et destructeur
"Les gens ont toujours su que l'interférence quantique est importante dans la diffusion Raman, mais c'est dur à voir, ", dit Wang. "Ici, c'est vraiment facile de voir la contribution de chaque État."
Supprimer les voies quantiques une par une modifie la manière dont elles peuvent interférer. Les changements sont visibles dans l'intensité de diffusion Raman émise par le dispositif expérimental lorsqu'il était illuminé par un faisceau de lumière laser proche infrarouge. Bien que la lueur de la diffusion soit beaucoup plus faible que l'excitation proche infrarouge, les changements de sa luminosité peuvent être mesurés avec précision.
Feng Wang à côté d'un diagramme montrant comment l'abaissement de l'énergie de Fermi élimine les voies quantiques du graphène (en bas à gauche). Le graphique du haut révèle que lorsque les voies quantiques interférentes de manière destructive sont bloquées, L'intensité de la diffusion Raman est fortement renforcée (bleu pâle vertical, étiqueté G). A la même diffusion, et à des valeurs spécifiques de l'énergie de Fermi, le tracé révèle une « luminescence d'électrons chauds » (étiquetée H.L.). Crédit :Roy Kaltschmidt, Laboratoire national Lawrence Berkeley
« En physique classique, vous vous attendriez à voir la lumière diffusée s'atténuer lorsque vous supprimez les voies d'excitation, " dit Wang, mais les résultats de l'expérimentateur ont surpris tout le monde. "Au lieu de cela, le signal est devenu plus fort!"
La lumière diffusée est devenue plus brillante à mesure que les voies d'excitation étaient réduites - ce que Wang appelle "une signature canonique d'interférence quantique destructrice".
Pourquoi « destructrice ? » Parce que les phonons et les photons dispersés peuvent être excités par de nombreux différents, des voies non distinguables qui interfèrent les unes avec les autres, bloquer un chemin peut diminuer ou augmenter la lumière de diffusion, selon que cette voie interférait de manière constructive ou destructive avec les autres. Dans le graphène, les voies d'énergie inférieure et supérieure interféraient de manière destructive. La suppression de l'un d'entre eux augmentait ainsi la luminosité de l'émission.
"Ce que nous avons démontré, c'est la nature d'interférence quantique de la diffusion Raman, " dit Wang. " Il a toujours été là, mais c'était si difficile à voir qu'on l'oubliait souvent."
Dans un deuxième constat, les chercheurs ont trouvé un autre exemple inattendu de diffusion inélastique de la lumière. Celui-ci, "luminescence d'électrons chauds, " ne résulte pas de voies quantiques bloquées, toutefois.
Lorsqu'une forte tension est appliquée et que l'énergie de Fermi du graphène est abaissée, les états électroniques de plus haute énergie sont vidés de la bande remplie. Des électrons fortement excités par les photons entrants, assez pour sauter à la bande non remplie, trouver ainsi des chances supplémentaires de se replier sur les états désormais vacants dans ce qui était la bande remplie. Mais ces électrons "chauds" ne peuvent retomber que s'ils émettent un photon de la bonne fréquence. La luminescence des électrons chauds observée par les chercheurs a une intensité intégrée cent fois plus forte que la diffusion Raman.
La route prise
Le poète Robert Frost a écrit qu'il arrivait sur deux routes qui divergeaient dans un bois, et regrettait de ne pouvoir voyager tous les deux. Non seulement les processus quantiques peuvent emprunter les deux chemins à la fois, ils peuvent s'immiscer en le faisant.
L'équipe de recherche, travaillant à l'UC Berkeley et à la source lumineuse avancée de Berkeley Lab, a montré que la diffusion inélastique de la lumière peut être contrôlée en contrôlant les interférences entre les états intermédiaires entre l'absorption et l'émission des photons. La manipulation de cette interférence a permis de nouveaux types de contrôle quantique des réactions chimiques, ainsi que des états « spintroniques », dans lequel ce n'est pas la charge mais les spins quantiques des électrons qui sont affectés. La diffusion Raman fortement améliorée peut être une aubaine pour la recherche sur les matériaux à l'échelle nanométrique. La luminescence chaude est potentiellement attractive pour l'optoélectronique et la recherche biologique, dans lesquelles les balises dans le proche infrarouge – même faibles – pourraient être très utiles.
"De même le phénomène de luminescence électronique chaude, car il suit immédiatement l'excitation par un laser sonde, pourrait devenir un outil de recherche précieux, " dit Wang, "notamment pour l'étude de la dynamique des électrons ultrarapides, l'une des principales caractéristiques inhabituelles du graphène."
