Le terme bisulfure de molybdène peut sembler familier à certains automobilistes et mécaniciens. Ce n'est pas étonnant :la substance, découverte par le chimiste américain Alfred Sonntag dans les années 1940, est encore utilisée aujourd'hui comme lubrifiant haute performance dans les moteurs et les turbines, mais aussi pour les boulons et les vis.
Cela est dû à la structure chimique particulière de ce solide, dont les différentes couches de matériau sont facilement déplaçables les unes par rapport aux autres. Cependant, le bisulfure de molybdène (chimiquement MoS2 ) non seulement lubrifie bien, mais il est également possible d'exfolier une seule couche atomique de ce matériau ou de la faire croître synthétiquement à l'échelle d'une tranche.
L'isolement contrôlé d'un MoS2 La monocouche a été réalisée il y a seulement quelques années, mais elle est déjà considérée comme une percée dans la science des matériaux avec un énorme potentiel technologique. L'équipe de l'Empa souhaite désormais travailler précisément avec cette classe de matériaux.
La structure en couches de couches atomiques individuelles rend ce matériau intéressant pour les physiciens à la recherche de matériaux de base pour les nanoordinateurs de nouvelle génération. MoS2 — et ses parents chimiques appelés dichalcogénures de métaux de transition (TMD) — sont l'une des principales « étoiles filantes » dans toute une gamme de matériaux bidimensionnels (2D).
Les TMD sont des semi-conducteurs 2D et ont une bande interdite directe, mais uniquement sous la forme d'une seule couche, ce qui les rend particulièrement attrayants pour les circuits intégrés miniaturisés ou les détecteurs optiques ultimes. Les propriétés mécaniques quantiques robustes des matériaux 2D sont également étudiées de manière intensive pour une utilisation en métrologie quantique, en cryptographie quantique et en technologie de l'information quantique.
Mais ce n'est pas seulement le matériau de base qui compte, mais aussi en particulier la capacité à y gérer les défauts :analogues au dopage chimique des semi-conducteurs « classiques » dans les circuits intégrés ou aux ions étrangers dans les lasers à solide, les défauts atomiques sont « comme la cerise sur le gâteau ». gâteau", en particulier dans les matériaux 2D, a déclaré Schuler.
Les chercheurs de l'Empa souhaitent caractériser les défauts atomiques des TMD à l'aide d'un nouveau type d'instrument et étudier leur aptitude en tant qu'émetteurs quantiques. Les émetteurs quantiques forment l'interface entre deux mondes :le spin électronique, l'analogue mécanique quantique du couple électronique, qui convient au traitement de l'information quantique, et les photons, c'est-à-dire les particules lumineuses, qui peuvent être utilisés pour transmettre des informations quantiques sur de longues distances sans perte. .
Les matériaux 2D offrent le grand avantage que les échelles d'énergie pertinentes sont beaucoup plus grandes que pour les matériaux 3D. On s'attend donc à ce que la technologie puisse être utilisée au-dessus des environnements cryogéniques, idéalement même à température ambiante. De plus, les défauts doivent être localisés à la surface du matériau 2D, ce qui les rend beaucoup plus faciles à trouver et à manipuler.
Mais d'abord, les défauts du MoS2 bidimensionnel doivent être détectées et leurs propriétés électroniques et optiques doivent être étudiées avec précision. Précis signifie dans ce cas que l'emplacement étudié est exploré avec une précision d'un angström. A titre de comparaison :1 angström est à un mètre ce que 4 cm sont à la distance de la Terre à la Lune (400 000 km).
Et l’instantané utilisé pour enregistrer l’excitation électronique du point quantique doit être précis à une picoseconde près (ps) – 1 ps est une fraction de seconde aussi petite que deux jours comparés à l’âge de la planète Terre (5 milliards d’années). ).
Ces mesures ultracourtes et atomiquement précises fournissent ensuite une image très détaillée des processus dynamiques qui se produisent à l'échelle atomique et des facteurs qui affectent ces processus.
Un appareil composé de deux moitiés
L'appareil dans lequel les expériences auront lieu se trouve déjà dans une pièce au sous-sol du bâtiment des laboratoires de l'Empa à Dübendorf, là où le sol est le plus stable. "Nous avons investi plus d'un an et demi de travail de préparation et de développement pour finaliser notre dispositif expérimental", explique Bruno Schuler.
"En octobre 2022, nous avons connecté les deux moitiés de notre système et avons pu mesurer pour la première fois les courants induits par les ondes lumineuses. Le principe fonctionne. Une étape importante dans le projet."
Les deux moitiés avec lesquelles l'équipe de Schuler va désormais travailler sont, d'une part, un microscope à effet tunnel (STM). Une pointe ultra fine est utilisée pour scanner la surface atomique de l'échantillon. Les scientifiques positionneront la pointe sur un site de défaut, c'est-à-dire une lacune ou un atome « étranger » dans la structure.
Entre ensuite en jeu la seconde moitié du système, mis en place par Jonas Allerbeck, collègue de Schuler :un laser infrarouge de 50 watts envoie des impulsions laser ultracourtes sur un cristal de niobate de lithium non linéaire. Cela génère une impulsion électromagnétique stable en phase dans la plage de fréquences térahertz. Cette impulsion n'est qu'une seule oscillation de lumière et peut être divisée avec une optique spéciale en une paire d'impulsions de pompe et de sonde, qui se succèdent toutes deux avec un retard variable et peuvent mesurer la dynamique électronique de manière stroboscopique.
Les deux impulsions sont ensuite envoyées dans le STM et dirigées vers la pointe de la sonde. La première impulsion détache un électron de la pointe, qui « saute » sur le site du défaut du MoS2 bidimensionnel. couche et y excite les électrons. "Cela peut être soit une charge électrique, une excitation de spin, une vibration de réseau ou une paire électron-trou que nous créons là-bas", explique Schuler.
"Avec la deuxième impulsion, nous observons ensuite quelques picosecondes plus tard comment notre site de défaut a répondu à l'impulsion d'excitation et ainsi nous pouvons étudier les processus de décohérence et le transfert d'énergie dans le substrat."
De cette manière, Schuler est l’un des rares spécialistes au monde à combiner une résolution temporelle courte en picoseconde avec une méthode capable de détecter des atomes individuels. L'équipe utilise la localisation intrinsèque des états dans le système matériel 2D pour maintenir les excitations au même endroit suffisamment longtemps pour être détectées.
"Le microscope à sonde à balayage ultrarapide permet de nouvelles connaissances fascinantes sur les processus de mécanique quantique à l'échelle atomique, et les matériaux 2D constituent une plate-forme matérielle unique pour créer ces états de manière contrôlée", explique le chercheur de l'Empa.
Fourni par les Laboratoires fédéraux suisses pour la science et la technologie des matériaux
