Un nouveau processus de fabrication de type « sandwich » plaçant un semi-conducteur mince d'un seul atome entre deux miroirs a permis aux chercheurs australiens de faire un pas important vers l'électronique à ultra-basse énergie basée sur les particules hybrides lumière-matière exciton-polaritons.

L'étude, dirigé par l'Université nationale australienne, fait preuve de robustesse, propagation sans dissipation d'un exciton mélangé à de la lumière rebondissant entre les miroirs de haute qualité.

L'électronique conventionnelle repose sur le flux d'électrons, ou « trous » (un trou est l'absence d'un électron, c'est-à-dire une quasiparticule chargée positivement).

Cependant, un domaine majeur de l'électronique future se concentre plutôt sur l'utilisation d'excitons (un électron lié à un trou) car, en principe, ils pourraient circuler dans un semi-conducteur sans perdre d'énergie en formant un état superfluide collectif. Et excitons dans le roman, les semi-conducteurs atomiquement minces activement étudiés sont stables à température ambiante.

Les semi-conducteurs atomiquement minces sont donc une classe prometteuse de matériaux pour les applications à basse énergie telles que les nouveaux transistors et capteurs. Cependant, précisément parce qu'ils sont si minces, leurs propriétés, y compris le flux d'excitons, sont fortement affectés par le désordre ou les imperfections, qui peuvent être introduits lors de la fabrication.

L'équipe FLEET dirigée par l'ANU - avec des collègues de l'Université de Swinburne et de l'institution partenaire FLEET de l'Université de Wroclaw - a couplé les excitons d'un matériau atomiquement mince à la lumière pour démontrer pour la première fois leur propagation à longue distance sans aucune dissipation d'énergie, à température ambiante.

Lorsqu'un exciton (matière) se lie à un photon (lumière), il forme une nouvelle particule hybride, un exciton-polariton. Le piégeage de la lumière entre deux miroirs parallèles de haute qualité dans une microcavité optique permet cela.

Dans la nouvelle étude, un nouveau processus de fabrication de type « sandwich » pour la microcavité optique a permis aux chercheurs de minimiser les dommages causés au semi-conducteur atomiquement mince et de maximiser l'interaction entre les excitons et les photons. Les excitons-polaritons formés dans cette structure ont pu se propager sans dissipation d'énergie sur des dizaines de micromètres, l'échelle typique d'une puce électronique.

La construction de microcavité est la clé

Une microcavité optique de haute qualité qui assure la longévité de la composante lumineuse (photonique) des excitons-polaritons est la clé de ces observations.

L'étude a révélé que les excitons-polaritons peuvent être rendus remarquablement stables si la microcavité est construite d'une manière particulière, éviter d'endommager le semi-conducteur fragile pris en sandwich entre les miroirs pendant la fabrication.

"Le choix du matériau atomiquement mince dans lequel voyagent les excitons est beaucoup moins important, ", explique Matthias Wurdack, auteur principal et correspondant.

"Nous avons découvert que la construction de cette microcavité était la clé, " dit Matthias, "Et tandis que nous avons utilisé du sulfure de tungstène (WS2) dans cette expérience particulière, nous pensons que tout autre matériau TMDC atomiquement mince fonctionnerait également."

(Les dichalcogénures de métaux de transition sont d'excellents hôtes pour les excitons, hébergeant des excitons stables à température ambiante et interagissant fortement avec la lumière).

L'équipe a construit la microcavité en empilant tous ses composants un par un. D'abord, un miroir inférieur de la microcavité est fabriqué, puis une couche semi-conductrice est placée dessus, puis la microcavité est complétée en plaçant un autre miroir sur le dessus. De manière critique, l'équipe n'a pas déposé la structure du miroir supérieur directement sur le semi-conducteur atomiquement mince notoirement fragile, qui est facilement endommagé pendant tout processus de dépôt de matériau.

"Au lieu, nous fabriquons séparément toute la structure supérieure, puis placez-le sur le semi-conducteur mécaniquement, comme faire un sandwich, " dit Matthias.

"Ainsi, nous évitons tout dommage au semi-conducteur atomiquement mince, et préserver les propriétés de ses excitons."

Surtout, les chercheurs ont optimisé cette méthode de prise en sandwich pour rendre la cavité très courte, qui maximise l'interaction exciton-photon.

"Nous avons aussi profité d'un peu de sérendipité, " dit Matthias. " Un accident de fabrication qui a fini par être la clé de notre succès ! "

L'"accident" fortuit s'est produit sous la forme d'un entrefer entre les deux miroirs, ne les rendant pas strictement parallèles.

Ce coin dans la microcavité crée une « pente » tension/potentiel pour les excitons-polaritons, avec les particules se déplaçant vers le haut ou vers le bas de la pente.

Les chercheurs ont découvert qu'une partie des excitons-polaritons voyagent avec conservation de l'énergie totale (potentielle et cinétique), à la fois en haut et en bas de la pente. En descendant la pente, ils convertissent leur énergie potentielle en quantité égale d'énergie cinétique, et vice versa.

Cette conservation parfaite de l'énergie totale signifie qu'aucune énergie n'est perdue en chaleur (en raison du « frottement »), qui signale un transport « balistique » ou sans dissipation pour les polaritons. Même si les polaritons de cette étude ne forment pas un superfluide, l'absence de dissipation est obtenue car tous les processus de diffusion qui conduisent à une perte d'énergie sont supprimés.

« Cette démonstration, pour la première fois, du transport balistique de polaritons à température ambiante dans des TMDC atomiquement minces est une étape importante vers l'avenir, électronique à ultra-basse énergie à base d'excitons, ", déclare la chef de groupe, la professeure Elena Ostrovskaya (ANU).

En plus de créer le potentiel « pente, « Ce même accident de fabrication a créé un puits potentiel pour les excitons-polaritons. Cela a permis aux chercheurs d'attraper et d'accumuler les excitons-polaritons en déplacement dans le puits, une première étape essentielle pour les piéger et les guider sur une micropuce.

Longue portée, flux à température ambiante d'excitons-polaritons

Par ailleurs, les chercheurs ont confirmé que les excitons-polaritons peuvent se propager dans le semi-conducteur atomiquement mince sur des dizaines de micromètres (assez facilement pour l'électronique fonctionnelle), sans éparpiller sur les défauts matériels. Ceci est en contraste avec les excitons dans ces matériaux, dont la longueur de déplacement est considérablement réduite par ces défauts.

De plus, les excitons-polaritons ont pu conserver leur cohérence intrinsèque (corrélation entre signal à différents points de l'espace et du temps), ce qui est de bon augure pour leur potentiel en tant que vecteurs d'information.

« Cette longue portée, le transport cohérent a été réalisé à température ambiante, ce qui est important pour le développement d'applications pratiques de semi-conducteurs atomiquement minces », a déclaré Matthias Wurdack.

Si les futurs dispositifs excitoniques doivent être viables, alternative à faible consommation d'énergie aux appareils électroniques conventionnels, ils doivent pouvoir fonctionner à température ambiante, sans besoin de refroidissement énergivore.

"En réalité, contre-intuitivement, nos calculs montrent que la longueur de propagation s'allonge à des températures plus élevées, ce qui est important pour les applications technologiques, " dit Matthias.

"Rétrécissement du mouvement, transport balistique, et piégeage de polaritons d'excitons à température ambiante dans un semi-conducteur atomiquement mince" a été publié dans Communication Nature en septembre 2021.