Des quasiparticules difficiles à déplacer glissent sur les bords de la pyramide

Un nouveau type de « fil » pour déplacer les excitons, développé à l’Université du Michigan, pourrait contribuer à la création d’une nouvelle classe de dispositifs, comprenant peut-être des ordinateurs quantiques à température ambiante.

De plus, l’équipe a observé une violation spectaculaire de la relation d’Einstein, utilisée pour décrire la façon dont les particules se propagent dans l’espace, et l’a exploitée pour déplacer les excitons dans des paquets beaucoup plus petits qu’auparavant.

“La nature utilise des excitons dans la photosynthèse. Nous utilisons des excitons dans les écrans OLED et certaines LED et cellules solaires”, a déclaré Parag Deotare, co-auteur correspondant de l’étude dans ACS Nano supervisant les travaux expérimentaux et professeur agrégé de génie électrique et informatique. L’étude s’intitule Enhanced Exciton-Drift Transport through Suppressed Diffusion in One-Dimensional Guides.

“La capacité de déplacer les excitons là où nous le souhaitons nous aidera à améliorer l’efficacité des appareils qui utilisent déjà des excitons et à étendre les excitons à l’informatique.”

Un exciton peut être considéré comme une particule (donc une quasi-particule), mais il s’agit en réalité d’un électron lié à un espace vide chargé positivement dans le réseau du matériau (un « trou »). Étant donné qu’un exciton n’a pas de charge électrique nette, les excitons en mouvement ne sont pas affectés par les capacités parasites, une interaction électrique entre les composants voisins d’un dispositif qui provoque des pertes d’énergie.

Les excitons sont également faciles à convertir vers et depuis la lumière, ce qui ouvre la voie à des ordinateurs extrêmement rapides et efficaces utilisant une combinaison d’optique et d’excitonique, plutôt que d’électronique.

Cette combinaison pourrait contribuer à permettre l’informatique quantique à température ambiante, a déclaré Mackillo Kira, co-auteur correspondant de l’étude supervisant la théorie et professeur de génie électrique et informatique.

Les excitons peuvent coder des informations quantiques et peuvent s’y accrocher plus longtemps que les électrons à l’intérieur d’un semi-conducteur. Mais ce temps se mesure toujours en picosecondes (10^-12 secondes) au mieux, alors Kira et d’autres découvrent comment utiliser les impulsions laser femtoseconde (10^-15 secondes) pour traiter les informations.

“Les applications de l’information quantique complète restent difficiles car la dégradation de l’information quantique est trop rapide pour l’électronique ordinaire”, a-t-il déclaré. “Nous explorons actuellement l’électronique à ondes lumineuses comme moyen de suralimenter les excitoniques avec des capacités de traitement extrêmement rapides.”

Cependant, l’absence de charge nette rend également les excitons très difficiles à déplacer. Auparavant, Deotare avait mené une étude qui poussait les excitons à travers des semi-conducteurs grâce à des ondes acoustiques. Désormais, une structure pyramidale permet un transport plus précis d’un plus petit nombre d’excitons, confinés à une seule dimension comme un fil.

Ça marche comme ça

L’équipe a utilisé un laser pour créer un nuage d’excitons à un coin de la base de la pyramide, faisant rebondir les électrons de la bande de valence d’un semi-conducteur vers la bande de conduction, mais les électrons chargés négativement sont toujours attirés vers les trous chargés positivement laissés dans la bande de valence. Le semi-conducteur est une seule couche de semi-conducteur au diséléniure de tungstène, d’une épaisseur de seulement trois atomes, drapée sur la pyramide comme un tissu extensible. Et l’étirement du semi-conducteur modifie le paysage énergétique vécu par les excitons.

Il semble contre-intuitif que les excitons remontent le bord de la pyramide et se stabilisent au sommet lorsque nous imaginons un paysage énergétique principalement régi par la gravité. Mais au lieu de cela, le paysage est régi par la distance entre les bandes de valence et de conduction du semi-conducteur. L’écart énergétique entre les deux, également connu sous le nom de bande interdite du semi-conducteur, diminue là où le semi-conducteur est étiré. Les excitons migrent vers l’état d’énergie le plus bas, canalisés vers le bord de la pyramide où ils s’élèvent ensuite jusqu’à son sommet.

Habituellement, une équation écrite par Einstein est efficace pour décrire comment un groupe de particules se diffuse vers l’extérieur et dérive. Cependant, le semi-conducteur était imparfait et ces défauts agissaient comme des pièges qui attraperaient certains des excitons alors qu’ils tentaient de dériver. Étant donné que les défauts du côté arrière du nuage d’excitons ont été comblés, ce côté de la distribution s’est diffusé vers l’extérieur comme prévu. Cependant, l’avancée ne s’est pas étendue jusqu’à présent. La relation d’Einstein était plus d’un facteur 10.

“Nous ne disons pas qu’Einstein avait tort, mais nous avons montré que dans des cas compliqués comme celui-ci, nous ne devrions pas utiliser sa relation pour prédire la mobilité des excitons issus de la diffusion”, a déclaré Matthias Florian, co-premier auteur de l’étude et un chercheur en génie électrique et informatique, travaillant sous la direction de Kira.

Pour mesurer directement les deux, l’équipe devait détecter des photons uniques, émis lorsque les électrons et les trous liés se recombinaient spontanément. À l’aide de mesures de temps de vol, ils ont également déterminé d’où provenaient les photons avec suffisamment de précision pour mesurer la répartition des excitons dans le nuage.

La structure pyramidale a été construite dans l’installation de nanofabrication de Lurie. L’équipe a déposé une demande de protection par brevet avec l’aide d’UM Innovation Partnerships et recherche des partenaires pour commercialiser la technologie.