Des physiciens de Ratisbonne et de Marburg ont adapté l'interaction mutuelle des électrons dans un solide atomiquement mince en le recouvrant simplement d'un cristal présentant une dynamique de réseau triée sur le volet.

Dans un centimètre cube de solide, il y a généralement 10 ²³ électrons. Dans ce système massif à plusieurs corps, une interaction électron-électron apparemment simple par paire peut provoquer des corrélations extrêmement complexes et un comportement exotique, comme la supraconductivité. Ce phénomène quantique transforme un solide en un parfait conducteur, qui transporte des courants électriques sans dissipation. D'habitude, ce comportement est un trait normal de solides spécifiques. Encore, la découverte de matériaux en couches atomiquement minces, comme le graphène - une monocouche de graphite - ou les dichalcogénures de métaux de transition (TMDC), a ouvert un nouveau laboratoire créatif pour adapter les interactions électron-électron et les transitions de phase de forme. Par exemple, en empilant des couches de graphène sous des angles spécifiques, un comportement supraconducteur peut être créé. Encore, La théorie a également prédit que le couplage d'électrons avec des vibrations quantifiées du réseau cristallin appelé phonons peut influencer de manière critique la façon dont les électrons interagissent les uns avec les autres.

Des physiciens de Ratisbonne dirigés par Rupert Huber en collaboration avec le groupe d'Ermin Malic à l'Université Philipps de Marburg ont maintenant proposé une nouvelle idée pour affiner l'interaction entre les électrons en se couplant aux vibrations du réseau cristallin polaire d'une couche voisine. Ce scénario peut être réalisé en recouvrant simplement les monocouches TMDC d'une couche de recouvrement de gypse, un matériau couramment utilisé dans les moulages en plâtre.

Pour mesurer la force de couplage entre les électrons et les phonons, les physiciens ont d'abord excité des électrons dans la monocouche semi-conductrice TMDC avec une impulsion laser ultracourte, laissant des trous correspondants sur leurs sites d'origine. Les électrons et les trous portent des charges opposées et sont donc liés les uns aux autres par leur attraction coulombienne, tout comme les électrons sont liés au noyau de l'atome d'hydrogène, formant ce qu'on appelle des excitons. En observant leur structure énergétique semblable à un atome avec une impulsion lumineuse ultracourte subséquente dans l'infrarouge, il est possible de calibrer l'interaction entre les deux particules.

La découverte surprenante était qu'une fois les couches de TMDC recouvertes d'un mince capuchon de gypse, la structure des excitons a été substantiellement modifiée. "La simple proximité spatiale de la couche de gypse est suffisante pour coupler fortement la structure interne des excitons aux vibrations du réseau polaire du gypse, " dit Philipp Merkl, le premier auteur de l'étude.

Même si ce mécanisme de couplage relie les électrons et les phonons dans différentes couches atomiquement minces, ils interagissent si fortement qu'ils se fondent essentiellement en de nouvelles particules mixtes. Une fois que les chercheurs l'ont découvert, ils ont commencé à jouer avec ce nouvel effet quantique :en plaçant une troisième couche atomiquement mince essentiellement inerte comme espaceur entre le TMDC et le gypse, ils ont réussi à ajuster la distance spatiale entre les électrons et les phonons avec une précision atomique.

"Cette stratégie nous a permis d'affiner la force de couplage avec une précision encore plus élevée, ", ajoute l'auteur correspondant, le Dr Chaw-Keong Yong. "Ces résultats pourraient ouvrir de nouvelles voies pour adapter les corrélations électroniques dans les matériaux bidimensionnels. À l'avenir, cela pourrait permettre des transitions de phase artificielles dans des hétérostructures artificiellement empilées et de nouvelles propriétés quantiques physiques, qui pourraient trouver des applications dans les futurs dispositifs électroniques sans perte et d'information quantique."