Le bon sens peut dicter que pour qu'un objet se déplace d'un point à un autre, il doit passer par tous les points du chemin.

« Imaginez quelqu'un conduisant de Kansas City à Topeka sur la I-70. " dit Hui Zhao, professeur agrégé de physique et d'astronomie à l'Université du Kansas. "Ou au basket, quand Josh Jackson de KU reçoit une passe de Frank Mason III et dunk le ballon du haut vers le bas de la jante, le ballon doit être dans le cerceau à un moment donné."

Ce n'est pas le cas pour les électrons dans le monde quantique, qui ne suivent pas ces règles de bon sens pour la plupart.

"Les électrons peuvent apparaître au premier étage, puis le troisième étage, sans jamais avoir été au deuxième étage, " dit Zhao.

Zhao, avec Frank Ceballos, étudiant diplômé en physique de la KU et Samuel Lane, boursier auto-diplômé, vient d'observer le mouvement contre-intuitif des électrons lors d'expériences dans l'Ultrafast Laser Lab de la KU.

"Dans un échantillon composé de trois couches atomiques, les électrons de la couche supérieure se déplacent vers la couche inférieure, sans jamais être repéré dans la couche intermédiaire, " a déclaré le chercheur de la KU.

Parce que ce type de transport « quantique » est très efficace, Zhao a déclaré qu'il pouvait jouer un rôle clé dans un nouveau type de matériau artificiel appelé "matériaux van der Waals" qui pourrait un jour être utilisé dans les cellules solaires et l'électronique.

Leurs conclusions viennent d'être publiées dans Lettres nano , une revue de premier plan sur les nanosciences et les nanotechnologies.

L'équipe de recherche de la KU a fabriqué l'échantillon en utilisant la méthode du "Scotch tape", où des couches de molécule unique sont soulevées d'un cristal avec du ruban adhésif, puis vérifié au microscope optique. L'échantillon contient des couches de MoS2, WS2 et MoSe 2 -chaque couche plus fine qu'un nanomètre. Tous les trois sont des matériaux semi-conducteurs et répondent à la lumière avec des couleurs différentes. Basé sur cela, les chercheurs de la KU ont utilisé une impulsion laser d'une durée de 100 femtosecondes pour libérer certains des électrons de la couche supérieure de MoSe2 afin qu'ils puissent se déplacer librement.

"La couleur de l'impulsion laser a été choisie pour que seuls les électrons de la couche supérieure puissent être libérés, " a déclaré Zhao. "Nous avons ensuite utilisé une autre impulsion laser avec la "bonne" couleur pour la couche inférieure de MoS2 afin de détecter l'apparition de ces électrons dans cette couche. La deuxième impulsion a été intentionnellement arrangée pour arriver à l'échantillon après la première impulsion d'environ 1 picoseconde, en le laissant parcourir une distance 0,3 mm plus longue que la première."

L'équipe a découvert que les électrons se déplacent de la couche supérieure vers la couche inférieure en environ une picoseconde en moyenne.

"Si les électrons étaient des choses qui suivaient le 'bon sens, ' comme les particules dites classiques, ils seraient dans la couche intermédiaire à un moment donné pendant cette picoseconde, " dit Zhao.

Les chercheurs ont utilisé une troisième impulsion avec une autre couleur pour surveiller la couche intermédiaire et n'ont trouvé aucun électron. La découverte expérimentale du transport contre-intuitif d'électrons dans l'empilement de couches atomiques a été confirmée par des simulations réalisées par les théoriciens Ming-Gang Ju et Xiao Cheng Zeng à l'Université du Nebraska-Lincoln, qui a co-écrit le document. Selon Zhao, la vérification du transport quantique des électrons entre les couches atomiques reliées par la force de van der Waals est une nouvelle encourageante pour les chercheurs développant de nouveaux matériaux.

"L'âge de pierre, Âge du bronze et âge du fer - les matériaux ont été l'élément déterminant de l'histoire humaine, " a-t-il dit. " L'ère de la technologie de l'information moderne est en grande partie basée sur le silicium, qui est le résultat de plusieurs décennies de recherche sur les matériaux axée sur la recherche de nouveaux matériaux et le développement de meilleures techniques pour les fabriquer de haute qualité et à faible coût. »

Zhao a déclaré qu'au cours des dernières décennies, les chercheurs ont appris à ajuster les propriétés des matériaux en modifiant leur taille et leur forme à l'échelle nanométrique. Une nouvelle forme de nanomatériaux, connus sous le nom de matériaux bidimensionnels, a été découvert il y a une dizaine d'années. "Ils sont formés de simples couches d'atomes ou de molécules, " dit-il. " L'exemple le plus connu est le graphène, une seule couche d'atomes de carbone. Jusque là, environ 100 types de matériaux bidimensionnels ont été découverts, tels que les trois utilisés dans cette étude. Parce que ces couches atomiques peuvent être empilées en utilisant la force de van der Waals, ils ont ouvert une voie entièrement nouvelle pour fabriquer de nouveaux matériaux fonctionnels."

Le chercheur a déclaré que les travaux de son équipe se sont concentrés sur une exigence clé pour que ces matériaux soient idéaux pour les applications électroniques et optiques :les électrons doivent pouvoir se déplacer efficacement entre ces couches atomiques.

"Cette étude a montré que les électrons peuvent se transférer entre ces couches de manière quantique, tout comme dans les autres conducteurs et semi-conducteurs, " il a dit.