La microscopie électronique montre l'échantillon de graphène (gris) dans lequel le faisceau d'hélium a créé un motif de trous de sorte que la densité varie périodiquement. Il en résulte la superposition de modes vibrationnels et l'émergence d'une bande interdite mécanique. La fréquence de ce système phononique peut être réglée entre 50 MHz et 217 MHz par tension mécanique. Crédit :K. Höflich/HZB
Sans électronique ni photonique, il n'y aurait pas d'ordinateurs, smartphone, capteurs, ou les technologies de l'information et de la communication. Dans les années à venir, le nouveau domaine de la phononique peut encore étendre ces options. Ce domaine concerne la compréhension et le contrôle des vibrations du réseau (phonons) dans les solides. Afin de réaliser des dispositifs phononiques, cependant, les vibrations du réseau doivent être contrôlées aussi précisément qu'on le réalise généralement dans le cas des électrons ou des photons.
Cristaux phononiques
Le bloc de construction clé pour un tel appareil est un cristal phononique, une structure fabriquée artificiellement dans laquelle des propriétés telles que la rigidité, la masse ou la contrainte mécanique varient périodiquement. Les appareils phononiques sont utilisés comme guides d'ondes acoustiques, lentilles phonons, et les boucliers de vibration et peuvent réaliser des Qubits mécaniques à l'avenir. Cependant, jusqu'à maintenant, ces systèmes fonctionnaient à des fréquences vibratoires fixes. Il n'était pas possible de modifier leurs modes vibratoires de manière contrôlée.
Motif de trous périodiques dans le graphène
Maintenant, pour la première fois, une équipe de la Freie Universität Berlin et du HZB a démontré ce contrôle. Ils ont utilisé du graphène, une forme de carbone dans laquelle les atomes de carbone s'interconnectent en deux dimensions pour former une structure plate en nid d'abeilles. A l'aide d'un faisceau focalisé d'ions hélium, l'équipe a pu découper un motif périodique de trous dans le graphène. Cette méthode est disponible chez CoreLab CCMS (Correlative Microscopy and Spectroscopy). "Nous avons dû optimiser considérablement le processus pour découper un motif régulier de trous dans la surface du graphène sans toucher les trous voisins, " Dr Katja Höflich, chef de groupe au Ferdinand-Braun-Institut Berlin et chercheur invité au HZB, explique.
Bande interdite et accordabilité
Jan N. Kirchhof, premier auteur de l'étude maintenant publiée dans Lettres nano , ont calculé les propriétés vibrationnelles de ce cristal phononique. Ses simulations montrent que dans une certaine gamme de fréquences, aucun mode vibrationnel n'est autorisé. Analogues à la structure de bande électronique dans les solides, cette région est une bande interdite mécanique. Cette bande interdite peut être utilisée pour localiser des modes individuels afin de les protéger de l'environnement. Quelle est la particularité ici :"La simulation montre que nous pouvons régler le système phononique rapidement et de manière sélective, de 50 mégahertz à 217 mégahertz, par pression mécanique appliquée, induite par une tension de grille", explique Jan Kirchhof.
Applications futures
« Nous espérons que nos résultats pousseront plus loin le domaine de la phononique. Nous prévoyons de découvrir de la physique fondamentale et de développer des technologies qui pourraient conduire à des applications dans, par exemple, des photocapteurs ultrasensibles ou même des technologies quantiques, " explique le Pr Kirill Bolotin, chef du groupe de travail FU. Les premières expériences sur les nouveaux cristaux phononiques de HZB sont déjà en cours dans son groupe.
