Une nouvelle étude prédit que les chercheurs pourraient utiliser des impulsions en spirale de lumière laser pour changer la nature du graphène, le transformer d'un métal en un isolant et lui donner d'autres propriétés particulières qui pourraient être utilisées pour coder des informations.

Les résultats, publié le 11 mai dans Communication Nature , ouvrir la voie à des expériences qui créent et contrôlent de nouveaux états de la matière avec cette forme de lumière spécialisée, avec des applications potentielles en informatique et dans d'autres domaines.

"C'est comme si nous prenions un morceau d'argile et le transformions en or, et quand l'impulsion laser s'en va, l'or redevient argile, " a déclaré Thomas Devereaux, professeur au SLAC National Accelerator Laboratory du Department of Energy et directeur du Stanford Institute for Materials and Energy Sciences (SIMES), un institut conjoint SLAC/Stanford.

"Mais dans ce cas, " il a dit, "nos simulations montrent que nous pourrions théoriquement modifier les propriétés électroniques du graphène, le faire basculer d'un état métallique d'un côté à l'autre, où les électrons circulent librement, à un état isolant. En termes numériques, c'est comme basculer entre zéro et un, allumé et éteint, Oui et non; il peut être utilisé pour encoder des informations dans une mémoire informatique, par exemple. Ce qui rend cela cool et intéressant, c'est que vous pouvez fabriquer des interrupteurs électroniques avec de la lumière au lieu d'électrons."

Devereaux a dirigé l'étude avec Michael Sentef, qui a commencé le travail en tant que chercheur postdoctoral au SLAC et est maintenant à l'Institut Max Planck pour la structure et la dynamique de la matière en Allemagne.

Peaufiner un matériau miracle

Le graphène est une forme pure de carbone d'une épaisseur d'un atome seulement, avec ses atomes disposés en nid d'abeille. Célébré comme un matériau miracle depuis sa découverte il y a 12 ans, c'est souple, presque transparent, un superbe conducteur de chaleur et d'électricité et l'un des matériaux les plus solides connus. Mais malgré de nombreuses tentatives, les scientifiques n'ont pas trouvé le moyen de le transformer en semi-conducteur – le matériau au cœur de la microélectronique.

Une étude antérieure a démontré qu'il pourrait être possible de faire un pas dans cette direction en frappant un matériau avec une lumière polarisée circulairement - une lumière qui tourne dans le sens des aiguilles d'une montre ou dans le sens inverse pendant qu'elle se déplace, une qualité qui peut également être décrite comme droitier ou gaucher. Cela créerait une « bande interdite, " une gamme d'énergies que les électrons ne peuvent pas occuper, qui est l'une des caractéristiques d'un semi-conducteur.

Dans l'étude SIMES, Les théoriciens ont utilisé le Centre national de calcul scientifique de la recherche énergétique du DOE au Lawrence Berkeley National Laboratory pour effectuer des simulations à grande échelle d'une expérience dans laquelle le graphène est frappé d'impulsions polarisées circulairement de quelques millionièmes de milliardième de seconde.

Se rapprocher le plus possible du réel

"Les études précédentes étaient basées sur des calculs analytiques et sur des situations idéalisées, " a déclaré Martin Claassen, un étudiant diplômé de Stanford dans le groupe de Devereaux qui a apporté des contributions clés à l'étude. "Celui-ci a essayé de simuler ce qui se passe dans des conditions expérimentales aussi proches que possible des conditions réelles, jusqu'à la forme des impulsions laser. Faire une telle simulation peut vous dire quels types d'expériences sont réalisables et identifier les régions où vous pourriez trouver les changements les plus intéressants dans ces expériences."

Les simulations montrent que la latéralité de la lumière laser interagirait avec une légère latéralité du graphène, qui n'est pas tout à fait uniforme. Cette interaction conduit à des propriétés intéressantes et inattendues, a déclaré Brian Moritz, scientifique du personnel du SLAC et co-auteur de l'étude. Non seulement il produit une bande interdite, mais il induit également un état quantique dans lequel le graphène a un soi-disant "nombre de Chern" de un ou de zéro, qui résulte d'un phénomène connu sous le nom de courbure de Berry et offre un autre état marche/arrêt que les scientifiques pourraient exploiter.

Les informations vont au-delà du graphène

Bien que cette étude n'ouvre pas immédiatement les moyens de fabriquer des appareils électroniques, cela donne aux chercheurs des informations fondamentales qui font avancer la science dans cette direction. Les résultats sont également pertinents pour les matériaux appelés dichalcogénures (prononcé colorant-cal-CAW-gin-eyeds), qui sont également des feuilles d'atomes bidimensionnelles disposées dans une structure en nid d'abeille.

Les dichalcogénures font l'objet d'intenses recherches au SIMES et dans le monde en raison de leur potentiel pour la création de dispositifs "valleytroniques". Dans valleytronics, les électrons se déplacent à travers un semi-conducteur bidimensionnel comme une onde avec deux vallées d'énergie dont les caractéristiques peuvent être utilisées pour coder l'information. Les applications possibles incluent les détecteurs de lumière, logique informatique à faible consommation d'énergie et puces de stockage de données et informatique quantique. En plus des travaux sur le graphène, les membres de l'équipe de recherche ont également simulé des expériences impliquant l'interaction de la lumière avec les dichalcogénures.

"Finalement, " Moritz a dit, "Nous essayons de comprendre comment l'interaction avec la lumière peut modifier le caractère et les propriétés d'un matériau pour créer quelque chose de nouveau et d'intéressant d'un point de vue technologique."