L'exciton, une quasi-particule à haut potentiel électronique

Ils étaient les premiers à contrôler le flux des excitons à température ambiante. Les chercheurs du Laboratoire d'électronique et structures à l'échelle nanométrique de l’EPFL (LANES) ont fait un pas de plus: ils sont parvenus à contrôler certaines de leurs caractéristiques et à modifier la polarisation de la lumière qu’ils génèrent. Ils ouvrent ainsi la porte à un genre inédit de dispositif électronique, qui pourrait limiter les pertes d’énergie et la dissipation de chaleur que connaissent les transistors actuels. Leur recherche, menée dans le champ d’une nouvelle discipline de pointe appelée «valléetronique», vient tout juste d’être publiée dans Nature Photonics.

Un exciton est une forme que prend temporairement un électron lorsqu’un matériau absorbe de la lumière. Ainsi «excité», l’électron passe dans un degré d’énergie supérieur, laissant, dans ce qu’on appelle en physique quantique des solides la «bande d’énergie» inférieure, un espace vide, un «trou d’électron». L’électron étant chargé négativement et son trou correspondant positivement, les deux entités restent liées par une force électrostatique appelée attraction de Coulomb. C’est cette paire qui définit l’exciton.

Propriétés quantiques inédites

Ce phénomène se produit uniquement dans les matériaux semi-conducteurs et les isolants. Et leur extraordinaire potentiel électronique apparait essentiellement dans le cas de leur utilisation au sein de matériaux 2D – dont la structure de base mesure seulement quelques atomes d’épaisseur. Le carbone ou la molybdénite en sont les exemples les plus connus.

Or, lorsqu’ils sont combinés, ces matériaux révèlent souvent des caractéristiques quantiques inédites, qu’aucun ne présente individuellement. C’est en associant deux d’entre eux, le diséléniure de molybdène (MoSe₂) et le diséléniure de tungstène (WSe₂), que les scientifiques de l’EPFL ont découvert de nouvelles pistes technologiques. Ils ont ainsi constaté qu’en utilisant une source lumineuse à polarisation circulaire - émanant d’un laser – et en créant une structure en moiré par un léger décalage des deux couches de matériaux 2D, ils pouvaient utiliser les excitons pour contrôler et modifier la polarisation, la longueur d’onde et l’intensité de la lumière.

De vallée en vallée

Tout cela est possible en manipulant l’une des caractéristiques des excitons, à savoir leur «vallée», qui correspond en fait au tracé particulier des valeurs d’énergie que peuvent respectivement adopter l’électron et le «trou d’électron». Cette notion, qui a donné son nom à la «valléetronique», offre un immense potentiel en termes de codage et de manipulation de l'information au niveau nanoscopique dans la matière.

«Si nous parvenons à relier plusieurs dispositifs basés sur cette découverte, nous aurons un moyen supplémentaire de traiter l'information au niveau électronique, explique Andras Kis, qui dirige le LANES. Car la possibilité de modifier la polarisation de la lumière dans un dispositif donne ensuite le choix, dans un deuxième périphérique du même type qui lui serait connecté, de sélectionner l’une ou l’autre des vallées. Cela pourrait être comparé à la commutation de 0 à 1 ou de 1 à 0, qui est l’opération logique la plus élémentaire sur un ordinateur».