Des scientifiques des matériaux et des physiciens de l'Université de Heidelberg (Allemagne) et de l'Université de St Andrews (Écosse) ont démontré la génération électrique de particules hybrides de matière légère, ce qu'on appelle les excitons-polaritons, en utilisant des transistors à effet de champ avec des nanotubes de carbone semi-conducteurs intégrés dans des micro-cavités optiques.

L'extraordinaire stabilité de ces transistors a permis un pompage électrique à des vitesses sans précédent, qui ouvre la voie aux lasers à pompage électrique avec des semi-conducteurs traités en solution et à base de carbone. Comme l'émission de ces sources lumineuses peut être réglée sur une large gamme du spectre proche infrarouge, ces travaux sont particulièrement prometteurs pour des applications dans les télécommunications.

Ces résultats, Publié dans Matériaux naturels , sont le dernier résultat d'une coopération fructueuse entre le professeur Dr Jana Zaumseil (Heidelberg) et le professeur Dr Malte C. Gather (St Andrews).

La recherche sur les dispositifs optoélectroniques utilisant des matériaux à base de carbone et organiques a conduit à une variété de nouvelles applications, tels que les diodes électroluminescentes organiques pour une efficacité énergétique, écrans de smartphones et téléviseurs lumineux et haute résolution.

Cependant, malgré le développement rapide dans ce domaine, l'effet laser pompé électriquement à partir de matières organiques reste insaisissable. Un défi majeur est de générer les taux de pompage élevés requis pour le laser. Récemment, Les lasers dits à polaritons ont reçu beaucoup d'attention car ils offrent un nouveau moyen potentiellement plus efficace de générer une lumière de type laser.

Au lieu de se fier uniquement aux photons comme dans un laser conventionnel, le laser à polaritons utilise des photons fortement couplés aux états excités du matériau. Cette nature couplée des polaritons peut faciliter la génération de lumière de type laser si des densités de courant suffisamment élevées peuvent être atteintes.

Auparavant, la même équipe avait montré qu'il était possible de former des polaritons dans des nanotubes de carbone semi-conducteurs à température ambiante par excitation optique externe. Dans leur dernier ouvrage, les chercheurs ont maintenant trouvé un moyen de générer des polaritons électriquement.

Pour y parvenir, ils ont développé un transistor à effet de champ émetteur de lumière à base de nanotubes de carbone qui a été intégré entre deux miroirs métalliques à proximité immédiate agissant comme une micro-cavité optique. Dans un tel dispositif, le flux de courant est perpendiculaire au retour optique, ce qui permet d'optimiser les deux indépendamment.

En raison de l'extrême stabilité et de la conductivité élevée fournies par les nanotubes de carbone dans cet appareil, des densités de courant d'ordres de grandeur au-dessus de toutes les valeurs précédemment rapportées ont été atteintes. Calculs du doctorant Arko Graf, l'un des premiers auteurs de l'étude, montrer qu'avec de nouvelles améliorations de l'architecture de l'appareil, le laser polariton pompé électriquement sera à portée de main.

Le professeur Zaumseil explique :« Outre la génération potentielle de lumière laser, ces dispositifs peuvent également être utilisés pour s'accorder de manière réversible entre un couplage lumière-matière fort et faible, ce qui ouvre la voie à des investigations plus fondamentales."

Le professeur Gather a ajouté :« Notre curiosité de comprendre ce qui se passe lorsque nous combinons des nanomatériaux sur mesure avec des structures photoniques de haute qualité est vraiment ce qui motive cette collaboration. »

L'article "Electrical pumping and tuning of exciton-polaritons in carbon nanotube microcavities" par A. Graf, M. Held, Y. Zakharko, L. Tropf, M.C. Gather et J. Zaumseil est publié en ligne dans le numéro du 17 juillet 2017 de Matériaux naturels .