Des chercheurs du Center for Functional Nanomaterials (CFN), un bureau des utilisateurs scientifiques du Département américain de l'énergie (DOE) au laboratoire national de Brookhaven du DOE, et de Northrop Grumman, une société multinationale de technologie aérospatiale et de défense, ont trouvé un moyen de maintenir la polarisation de la vallée. à température ambiante en utilisant de nouveaux matériaux et techniques.
Cette découverte pourrait conduire à des dispositifs capables de stocker et de traiter les informations de manière nouvelle sans qu'il soit nécessaire de les conserver à des températures ultra-basses. Leurs recherches ont été récemment publiées dans Nature Communications. .
L'une des voies explorées pour réaliser ces dispositifs est un domaine relativement nouveau appelé « valleytronics ». La structure de bande électronique d'un matériau (la gamme de niveaux d'énergie dans les configurations électroniques de chaque atome) peut varier vers le haut ou vers le bas. Ces pics et ces creux sont appelés « vallées ». Certains matériaux possèdent plusieurs vallées avec la même énergie. Un électron dans un système comme celui-ci peut occuper n'importe laquelle de ces vallées, ce qui constitue une manière unique de stocker et de traiter les informations en fonction de la vallée occupée par l'électron.
Un défi, cependant, a été l'effort et les dépenses nécessaires pour maintenir les basses températures nécessaires pour maintenir la polarisation des vallées stable. Sans cette stabilité, les appareils commenceraient à perdre des informations. Afin de rendre une technologie comme celle-ci réalisable pour des applications pratiques et abordables, les experts devraient trouver un moyen de contourner cette contrainte.
Les dichalcogénures de métaux de transition (TMD) sont des matériaux en couches intéressants qui peuvent avoir, dans leur forme la plus fine, seulement quelques atomes d'épaisseur. Chaque couche du matériau est constituée d'une feuille bidimensionnelle (2D) d'atomes de métaux de transition pris en sandwich entre des atomes de chalcogène. Alors que le métal et le chalcogène sont fortement liés par des liaisons covalentes dans une couche, les couches adjacentes ne sont que faiblement liées par les interactions de Van der Waal. Les liaisons faibles qui maintiennent ces couches ensemble permettent aux TMD d’être exfoliés jusqu’à former une monocouche d’une seule « molécule » d’épaisseur. Ceux-ci sont souvent appelés matériaux 2D.
L'équipe du CFN a synthétisé des monocristaux de pérovskites chirales aux halogénures de plomb (R/S-NEAPbI3 ). La chiralité décrit un ensemble d'objets, comme des molécules, qui sont l'image miroir les uns des autres mais ne peuvent pas être superposés. Il est dérivé du mot grec signifiant « mains », un parfait exemple de chiralité. Les deux formes sont identiques, mais si vous posez une main sur l’autre, elles ne s’aligneront pas. Cette asymétrie est importante pour contrôler la polarisation des vallées.
Des flocons de ce matériau, d'une épaisseur d'environ 500 nanomètres, soit cinq millièmes de l'épaisseur d'un cheveu humain, ont été déposés sur une monocouche de bisulfure de molybdène (MoS2 ) TMD pour créer ce que l'on appelle une hétérostructure. En combinant différents matériaux 2D avec des propriétés qui affectent le transfert de charge à l'interface entre les deux matériaux, ces hétérostructures ouvrent un monde de possibilités.
Après avoir créé et caractérisé cette hétérostructure, l'équipe était impatiente de voir comment elle se comportait.
"Les TMD ont deux vallées avec la même énergie", a expliqué Shreetu Shrestha, associé de recherche postdoctoral au CFN et auteur de cet article. "Un électron peut se trouver dans une vallée ou dans l'autre, ce qui lui donne un degré de liberté supplémentaire. Les informations peuvent alors être stockées en fonction de la vallée occupée par un électron."
Pour obtenir une meilleure image du comportement du matériau, l’équipe a utilisé les outils de l’installation de spectroscopie et microscopie optiques avancées du CFN. Les scientifiques ont utilisé un laser polarisé linéairement pour exciter l’hétérostructure qu’ils ont fabriquée, puis ont mesuré la lumière émise par le TMD au bisulfure de molybdène à l’aide d’un microscope confocal. Ils ont effectué le même processus avec un TMD sans couche de pérovskite aux halogénures de plomb chiraux ajoutée.
Au cours de ces expériences avancées, les chercheurs ont remarqué quelque chose d’intéressant dans la manière dont la lumière était émise. L'hétérostructure avait une émission inférieure à celle du TMD nu. Les chercheurs ont attribué ce comportement à la charge transférée du TMD à la pérovskite dans l'hétérostructure. Grâce à la spectroscopie ultrarapide, les chercheurs ont découvert que la charge se transfère très rapidement :seulement quelques billionièmes de seconde.
L’équipe a également découvert que l’intensité des composantes polarisées circulairement gauche et droite de la lumière émise dépend du caractère manuel de la pérovskite chirale utilisée. La nature chirale de la pérovskite agissait comme un filtre pour les électrons de spin différent. En fonction du caractère manuel de la pérovskite chirale, les électrons qui tournent vers le haut ou vers le bas ont été préférentiellement transférés d'une vallée aux électrons de spin opposé dans l'autre vallée. Ce phénomène permettrait aux chercheurs de peupler sélectivement les vallées et d'utiliser leur occupation de la même manière que les transistors actuels des ordinateurs stockent les 1 et les 0 des bits binaires.
"Un point important à souligner dans cette expérience est que ces résultats ont été obtenus à température ambiante, là où tout le champ devrait se déplacer", a déclaré Mircea Cotlet, scientifique des matériaux au Brookhaven Lab et chercheur principal du projet. "Conserver le matériel aux basses températures qui étaient utilisées est bien plus complexe et coûteux. Il est encourageant de constater ce type de propriétés de matériaux à température ambiante."
Alors que les recherches sur Valleytronics en sont encore à leurs débuts, les chercheurs réfléchissent déjà à des applications possibles. Cette technologie pourrait améliorer les appareils existants de manière surprenante, en élargissant les capacités des ordinateurs classiques, mais elle pourrait également constituer un composant du matériel du futur.
"Cela contribuerait à rendre l'informatique classique plus efficace", a déclaré Shrestha, "mais cette technologie pourrait également être exploitée pour la science de l'information quantique, qui inclut l'informatique quantique, ou même la détection quantique. Ces matériaux atomiquement minces ont des propriétés quantiques uniques, que nous devrions connaître. pouvoir en profiter."
Favoriser la collaboration et l'innovation
Les utilisateurs et collaborateurs du CFN proviennent d'un large éventail de domaines du monde universitaire, de la recherche et de l'industrie. Cette expérience impliquait la contribution d'un collaborateur de longue date de la société américaine de technologie mondiale de l'aérospatiale et de la défense Northrop Grumman. En 2021, l'Office de l'efficacité énergétique et des énergies renouvelables (EERE) du DOE a accordé au CFN un financement pour collaborer avec Northrop Grumman dans le cadre du programme Technologue en résidence (TIR). Le programme TIR associe du personnel technique senior des laboratoires nationaux et de l'industrie pour mener des recherches et du développement. Des programmes comme celui-ci renforcent les relations entre les laboratoires nationaux et l'industrie tout en faisant progresser l'innovation dans le secteur manufacturier américain et en promouvant la croissance économique et la sécurité énergétique.
"Nos collaborations avec Northrop Grumman et Don DiMarzio remontent à 2015", a déclaré Cotlet. « Nous avons un intérêt commun pour les matériaux 2D, en particulier pour la manière dont ils contribueront à créer la prochaine génération d'ordinateurs. Il est encourageant de pouvoir compter sur l'expertise de tant de personnes différentes ici sous un même toit. -des instruments et des techniques qui nous donnent la possibilité de rassembler toutes ces informations."
Ce travail a également permis à Shrestha et Cotlet de développer leurs recherches continues sur les TMD et le transfert de charge.
"J'ai travaillé avec les pérovskites au cours de mes recherches de doctorat et de mon premier poste postdoctoral", a déclaré Shrestha, "nous avons donc pu combiner mon expertise dans ce domaine avec l'expertise de Mircea dans les TMD et les instruments optiques dont nous disposons dans le programme d'optique avancée du CFN. Installation de spectroscopie et de microscopie pour découvrir quelque chose de prometteur. J'étais également ravi de travailler avec Suji Park et Xiao Tong du CFN et Mingxing Li, un scientifique qui travaillait auparavant au CFN et qui travaille maintenant à Innovare.
« Ce type de compréhension ne serait pas possible sans un effort collectif et un accès à toutes ces installations haut de gamme sous un seul toit. Je suis impatient de voir où ce travail mène et j'ai hâte de contribuer davantage aux matériaux 2D de CFN. programme."
Plus d'informations : Shreetu Shrestha et al, Polarisation de la vallée à température ambiante via un transfert de charge sélectif de spin, Nature Communications (2023). DOI :10.1038/s41467-023-40967-7
Informations sur le journal : Communications naturelles
Fourni par le Laboratoire national de Brookhaven
