Les humains ont exploité de grandes parties du spectre électromagnétique pour diverses technologies, des rayons X aux radios, mais une partie de ce spectre est restée largement hors de portée. C'est ce qu'on appelle l'écart térahertz, situé entre les ondes radio et le rayonnement infrarouge, deux parties du spectre que nous utilisons dans les technologies de tous les jours, notamment les téléphones portables, Télécommandes et grille-pain.

Une théorie développée par le regretté professeur de Stanford et lauréat du prix Nobel Felix Bloch suggérait qu'un matériau spécialement structuré permettant aux électrons d'osciller d'une manière particulière pourrait être capable de conduire ces signaux térahertz recherchés.

Maintenant, décennies après la théorie de Bloch, Les physiciens de Stanford ont peut-être développé des matériaux qui permettent ces oscillations théorisées, permettant un jour d'améliorer les technologies, des cellules solaires aux scanners d'aéroport. Le groupe a publié ses conclusions dans le numéro du 29 septembre de Science .

Innovations dans les matériaux de super-réseaux

Les chercheurs ont longtemps pensé que les matériaux avec des motifs spatiaux répétés à l'échelle nanométrique pourraient permettre les oscillations de Bloch, mais la technologie ne fait que rattraper la théorie. Un tel matériau nécessite que les électrons parcourent de longues distances sans déviation, où même la plus petite imperfection dans le milieu à travers lequel les électrons circulent peut les détourner de leur chemin d'origine, comme un ruisseau essayant de s'enrouler autour des rochers et des arbres tombés.

Les recherches en plein essor dans le domaine des matériaux bidimensionnels et des super-réseaux pourraient faire de ce type de matériau une réalité. Les super-réseaux sont des semi-conducteurs fabriqués en superposant des matériaux ultra-minces dont les atomes sont disposés selon un motif de réseau périodique.

Pour cette étude, les chercheurs ont créé un super-réseau bidimensionnel en prenant en sandwich une feuille de graphène atomiquement mince entre deux feuilles de nitrure de bore électriquement isolant. Les atomes du graphène et du nitrure de bore ont un espacement légèrement différent, Ainsi, lorsqu'ils sont empilés les uns sur les autres, ils créent un motif d'interférence d'onde spécial appelé motif de moiré.

Les nouvelles utilisations des électrons

Protégé de l'air et des contaminants par le nitrure de bore au-dessus et au-dessous, les électrons dans le graphène s'écoulent le long de chemins lisses sans déviation, exactement comme suggéré par la théorie serait nécessaire pour conduire des signaux térahertz. Les chercheurs ont pu envoyer des électrons à travers la feuille de graphène, les collecter de l'autre côté et les utiliser pour déduire ainsi l'activité des électrons en cours de route.

D'habitude, lorsqu'une tension est appliquée aux bornes d'un cristal, les électrons sont continuellement accélérés dans la direction du champ électrique jusqu'à ce qu'ils soient déviés. Dans ce super-réseau moiré, les chercheurs ont montré que les électrons peuvent être confinés dans des bandes d'énergie plus étroites, a déclaré le professeur de physique David Goldhaber-Gordon, co-auteur de l'étude. Combiné avec des temps très longs entre les déviations, cela devrait conduire les électrons à osciller sur place et à émettre un rayonnement dans la gamme de fréquences térahertz. Il s'agit d'un succès fondamental sur la voie de la création d'une émission et d'une détection contrôlées des fréquences térahertz.

En plus de rapprocher la théorie de Bloch de la réalité, les chercheurs ont découvert un changement tout à fait surprenant dans la structure électronique de leur matériau de super-réseau.

« Dans les semi-conducteurs, comme le silicium, nous pouvons régler le nombre d'électrons contenus dans ce matériau, " a déclaré Goldhaber-Gordon. " Si nous mettons en plus, ils se comportent comme s'ils étaient chargés négativement. Si nous en sortons, le courant qui traverse le système se comporte comme s'il était plutôt composé de charges positives, même si nous savons que ce ne sont que des électrons."

Mais ce super-réseau apporte une nouvelle tournure :ajouter encore plus d'électrons produit des particules de charge positive, et en retirant encore plus de retours à la charge négative.

Les applications futures de cette inversion du caractère des électrons pourraient se présenter sous la forme de jonctions p-n plus efficaces, qui sont des éléments essentiels de la plupart des dispositifs électroniques à semi-conducteurs tels que les cellules solaires, LED et transistors. Normalement, si l'on éclaire une jonction p-n, envoyer un électron pour chaque photon absorbé est considéré comme une excellente performance. Mais ces nouvelles jonctions pourraient émettre plusieurs électrons par photon, capter plus efficacement l'énergie de la lumière.

Terahertz et Stanford, passé et futur

Bien que cette nouvelle recherche n'ait pas encore créé d'oscillateur de Bloch, les scientifiques ont franchi la première étape en montrant que la quantité de mouvement et la vitesse d'un électron peuvent être préservées sur de longues durées et sur de longues distances au sein de ce super-réseau, dit Menyoung Lee, co-auteur de l'étude qui a mené la recherche en tant qu'étudiant diplômé du groupe Goldhaber-Gordon.

"Nous appliquons les toutes premières leçons originales de la physique du solide que Félix Bloch a compris il y a longtemps, et il s'avère que nous pouvons l'utiliser pour générer des phénomènes de conduction uniques dans de nouveaux matériaux d'ingénierie, " dit Lee.

La technologie des fréquences térahertz pourrait éventuellement être une amélioration par rapport aux technologies d'aujourd'hui. Lorsque les aéroports américains scannent les passagers aux points de contrôle de sécurité aujourd'hui, ils utilisent des micro-ondes, qui pénètrent dans les matériaux non métalliques pour révéler des objets métalliques cachés. Goldhaber-Gordon a expliqué que le térahertz a des propriétés de transmission similaires mais une longueur d'onde plus courte, révélant potentiellement même des objets cachés non métalliques à haute résolution. Il a ajouté que les scanners térahertz pourraient également être utilisés pour détecter des défauts tels que des cavités cachées dans des objets sur une chaîne de montage de fabrication.

La conduction électronique propre démontrée dans ce travail a également permis de mieux comprendre les façons dont les électrons interagissent et circulent, et Goldhaber-Gordon a déclaré que son laboratoire prévoyait d'utiliser ces informations pour travailler à la création de faisceaux d'électrons extrêmement étroits à envoyer à travers des super-réseaux. Il a appelé ce nouveau domaine « l'optique électronique dans les matériaux 2D » parce que ces faisceaux se déplacent en ligne droite et obéissent aux lois de la réfraction de la même manière que les faisceaux de lumière.

"Ce sera un domaine qui ouvre beaucoup de nouvelles possibilités, " dit Goldhaber-Gordon, "et nous commençons tout juste à explorer ce que nous pouvons faire."