En superposant différents matériaux bidimensionnels, Les physiciens de l'Université de Bâle ont créé une nouvelle structure capable d'absorber presque toute la lumière d'une longueur d'onde sélectionnée. La réalisation repose sur une double couche de bisulfure de molybdène. Les propriétés particulières de la nouvelle structure en font un candidat pour des applications dans des composants optiques ou comme source de photons individuels, qui jouent un rôle clé dans la recherche quantique. Les résultats ont été publiés dans la revue scientifique Nature Nanotechnologie .

Les nouveaux matériaux bidimensionnels sont actuellement un sujet de recherche brûlant dans le monde entier. Les hétérostructures de van der Waals présentent un intérêt particulier, qui sont constitués de couches individuelles de différents matériaux maintenus ensemble par les forces de van der Waals. Les interactions entre les différentes couches peuvent donner au matériau résultant des propriétés entièrement nouvelles.

La double couche débloque des propriétés cruciales

Il existe déjà des hétérostructures van der Waals qui absorbent jusqu'à 100 % de la lumière. Les monocouches de bisulfure de molybdène offrent des capacités d'absorption dans cette gamme. Lorsque la lumière est absorbée, un électron quitte sa position d'origine dans la bande de valence, laissant derrière lui un trou chargé positivement. L'électron se déplace vers un niveau d'énergie plus élevé, connu sous le nom de bande de conduction, où il peut se déplacer librement.

Le trou résultant et l'électron sont attirés l'un vers l'autre conformément à la loi de Coulomb, donnant lieu à des paires électron-trou liées qui restent stables à température ambiante. Cependant, avec le disulfure de molybdène monocouche, il n'y a aucun moyen de contrôler quelles longueurs d'onde lumineuses sont absorbées. "Ce n'est que lorsqu'une deuxième couche de bisulfure de molybdène est ajoutée que nous obtenons une accordabilité, une propriété essentielle à des fins d'application, " explique le professeur Richard Warburton du Département de physique de l'Université de Bâle et de l'Institut suisse des nanosciences.

Absorption et accordabilité

Travaillant en étroite collaboration avec des chercheurs en France, Warburton et son équipe ont réussi à créer une telle structure. Les physiciens ont utilisé une double couche de bisulfure de molybdène prise en sandwich entre un isolant et le graphène conducteur électrique de chaque côté.

"Si nous appliquons une tension aux couches externes de graphène, cela génère un champ électrique qui affecte les propriétés d'absorption des deux couches de bisulfure de molybdène, " explique Nadine Leisgang, doctorant dans l'équipe de Warburton et auteur principal de l'étude. "En ajustant la tension appliquée, nous pouvons sélectionner les longueurs d'onde auxquelles les paires électron-trou sont formées dans ces couches."

Richard Warburton ajoute, "Cette recherche pourrait ouvrir la voie à une nouvelle approche pour développer des dispositifs optoélectroniques tels que des modulateurs." Les modulateurs sont utilisés pour modifier sélectivement l'amplitude d'un signal. Une autre application potentielle est la génération de photons individuels, avec des implications importantes pour la technologie quantique.