Les nanotubes de carbone ressemblent à des fils creux très fins d’un diamètre d’à peine un nanomètre. Ils peuvent générer de la lumière de différentes manières. Par exemple, une impulsion laser peut exciter des électrons chargés négativement dans le matériau, laissant des « trous » chargés positivement. Ces charges opposées peuvent s'associer pour former un état énergétique appelé exciton, qui peut voyager relativement loin le long d'un nanotube avant de libérer son énergie sous forme de lumière.

En principe, ce phénomène pourrait être exploité pour fabriquer des dispositifs électroluminescents à l'échelle nanométrique très efficaces.

Malheureusement, l’utilisation d’un laser pour générer des excitons au sein de nanotubes de carbone se heurte à trois obstacles. Premièrement, un faisceau laser est généralement 1 000 fois plus large qu’un nanotube, de sorte que très peu de son énergie est réellement absorbée par le matériau. Deuxièmement, les ondes lumineuses doivent s’aligner parfaitement avec le nanotube pour délivrer efficacement leur énergie. Enfin, les électrons d'un nanotube de carbone ne peuvent absorber que des longueurs d'onde de lumière très spécifiques.

Pour surmonter ces limites, une équipe dirigée par Yuichiro Kato du laboratoire de photonique quantique à l'échelle nanométrique RIKEN s'est tournée vers une autre classe de nanomatériaux, appelés matériaux 2D. Ces feuilles plates n'ont que quelques atomes d'épaisseur, mais elles peuvent être beaucoup plus larges qu'un faisceau laser et sont bien meilleures pour convertir les impulsions laser en excitons.

Les chercheurs ont fait pousser des nanotubes de carbone sur une tranchée creusée dans un matériau isolant. Ils ont ensuite placé un flocon atomiquement mince de diséléniure de tungstène sur les nanotubes. Lorsque les impulsions laser frappaient ce flocon, elles généraient des excitons qui se déplaçaient dans le nanotube et sur toute sa longueur, avant de libérer une lumière d'une longueur d'onde plus longue que celle du laser. Il n'a fallu qu'un billionième de seconde pour que chaque exciton passe du matériau 2D au nanotube.

L'article est publié dans la revue Nature Communications .

En testant des nanotubes présentant une gamme de structures différentes qui affectent les niveaux d'énergie cruciaux au sein du matériau, les chercheurs ont identifié des formes de nanotubes idéales qui facilitent le transfert d'excitons à partir du matériau 2D.

Sur la base de ce résultat, ils ont l’intention d’utiliser l’ingénierie de bande – un concept utile en ingénierie des semi-conducteurs pour réaliser des dispositifs dotés de propriétés supérieures – à l’échelle atomiquement fine. "Lorsque l'ingénierie des bandes est appliquée aux semi-conducteurs de faible dimension, de nouvelles propriétés physiques et fonctionnalités innovantes devraient émerger", explique Kato.

"Nous espérons utiliser ce concept pour développer des dispositifs photoniques et optoélectroniques d'une épaisseur de seulement quelques couches atomiques", ajoute Kato. "Si nous pouvons les réduire à la limite atomiquement mince, nous nous attendons à ce que de nouveaux effets quantiques émergent, qui pourraient devenir utiles pour les futures technologies quantiques."