L'angle de torsion formé entre les couches atomiquement minces de disulfure de tungstène et de diséléniure de tungstène agit comme un "bouton de réglage, " transformer des semi-conducteurs ordinaires en un matériau quantique exotique. Crédit :Berkeley Lab
Une équipe de chercheurs dirigée par le Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) du ministère de l'Énergie a mis au point une méthode simple qui pourrait transformer des matériaux semi-conducteurs ordinaires en machines quantiques, des dispositifs ultraminces caractérisés par un comportement électronique extraordinaire. Une telle avancée pourrait contribuer à révolutionner un certain nombre d'industries visant des systèmes électroniques économes en énergie et fournir une plate-forme pour une nouvelle physique exotique.
L'étude décrivant la méthode, qui empile des couches 2-D de disulfure de tungstène et de diséléniure de tungstène pour créer un matériau à motifs complexes, ou superréseau, a été publié en ligne récemment dans la revue La nature .
« C'est une découverte incroyable car nous ne pensions pas que ces matériaux semi-conducteurs interagissaient fortement, " dit Feng Wang, un physicien de la matière condensée à la division des sciences des matériaux du Berkeley Lab et professeur de physique à l'UC Berkeley. "Maintenant, ce travail a amené ces semi-conducteurs apparemment ordinaires dans l'espace des matériaux quantiques."
Matériaux bidimensionnels (2-D), qui n'ont qu'un atome d'épaisseur, sont comme des blocs de construction de taille nanométrique qui peuvent être empilés arbitrairement pour former de minuscules dispositifs. Lorsque les réseaux de deux matériaux 2D sont similaires et bien alignés, un motif répétitif appelé superréseau moiré peut se former.
Au cours de la dernière décennie, les chercheurs ont étudié les moyens de combiner différents matériaux 2D, commençant souvent par le graphène, un matériau connu pour sa capacité à conduire efficacement la chaleur et l'électricité. Hors de ce corpus d'œuvres, d'autres chercheurs ont découvert que les super-réseaux moirés formés avec du graphène présentent une physique exotique telle que la supraconductivité lorsque les couches sont alignées à l'angle juste.
La nouvelle étude, dirigé par Wang, ont utilisé des échantillons 2-D de matériaux semi-conducteurs - disulfure de tungstène et diséléniure de tungstène - pour montrer que l'angle de torsion entre les couches fournit un "bouton de réglage" pour transformer un système semi-conducteur 2-D en un matériau quantique exotique avec des électrons hautement interactifs.
Entrer dans un nouveau domaine de la physique
Co-auteurs principaux Chenhao Jin, un chercheur postdoctoral, et Emma Regan, un étudiant chercheur diplômé, qui travaillent tous deux sous la direction de Wang dans le groupe Ultrafast Nano-Optics à l'UC Berkeley, fabriqué les échantillons de disulfure de tungstène et de diséléniure de tungstène en utilisant une technique à base de polymère pour ramasser et transférer les flocons des matériaux, chacun mesurant à peine quelques dizaines de microns de diamètre, dans une pile.
La grande énergie potentielle de trois états d'excitons distincts dans un dispositif 2D au disulfure de tungstène/diséléniure de tungstène pourrait introduire des phénomènes quantiques exotiques dans les matériaux semi-conducteurs. Crédit :Berkeley Lab
Ils avaient fabriqué des échantillons similaires des matériaux pour une étude précédente, mais avec les deux couches empilées sans angle particulier. Lorsqu'ils ont mesuré l'absorption optique d'un nouvel échantillon de disulfure de tungstène et de diséléniure de tungstène pour l'étude actuelle, ils ont été complètement pris par surprise.
L'absorption de la lumière visible dans un dispositif au disulfure de tungstène/diséléniure de tungstène est plus importante lorsque la lumière a la même énergie que l'exciton du système, une quasiparticule constituée d'un électron lié à un trou commun aux semi-conducteurs 2D. (En physique, un trou est un état actuellement vacant qu'un électron pourrait occuper.)
Pour la lumière dans la gamme d'énergie que les chercheurs envisageaient, ils s'attendaient à voir un pic dans le signal qui correspondait à l'énergie d'un exciton.
Au lieu, ils ont découvert que le pic original qu'ils s'attendaient à voir s'était divisé en trois pics différents représentant trois états d'excitons distincts.
Qu'est-ce qui a pu augmenter le nombre d'états d'excitons dans le dispositif disulfure de tungstène/tungstène de un à trois ? Était-ce l'ajout d'un super-réseau moiré ?
Découvrir, leurs collaborateurs Aiming Yan et Alex Zettl ont utilisé un microscope électronique à transmission (MET) à la fonderie moléculaire de Berkeley Lab, un centre de recherche scientifique à l'échelle nanométrique, pour prendre des images à résolution atomique du dispositif au disulfure de tungstène/diséléniure de tungstène pour vérifier comment les réseaux des matériaux étaient alignés.
Les images MET ont confirmé ce qu'ils soupçonnaient depuis le début :les matériaux avaient en effet formé un super-réseau moiré. "Nous avons vu beau, répéter des motifs sur l'ensemble de l'échantillon, " a déclaré Regan. " Après avoir comparé cette observation expérimentale avec un modèle théorique, nous avons découvert que le motif moiré introduisait périodiquement une grande énergie potentielle sur l'appareil et pouvait donc introduire des phénomènes quantiques exotiques."
Les chercheurs prévoient ensuite de mesurer comment ce nouveau système quantique pourrait être appliqué à l'optoélectronique, qui concerne l'utilisation de la lumière en électronique; Valleytronics, un domaine qui pourrait repousser les limites de la loi de Moore en miniaturisant les composants électroniques; et supraconductivité, ce qui permettrait aux électrons de circuler dans des appareils pratiquement sans résistance.
