Des flashs de lumière ultra-courts éclairent une voie possible vers l’avenir de l’électronique au-delà du CMOS –
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Il est prouvé que les impulsions lumineuses ultracourtes ne peuvent être distinguées de l’éclairage continu, en termes de contrôle des états électroniques du disulfure de tungstène (WS)2).
Une nouvelle étude dirigée par Swinburne prouve que des impulsions lumineuses ultracourtes peuvent être utilisées pour conduire des transitions vers de nouvelles phases de la matière, facilitant ainsi la recherche d’une future électronique basse énergie basée sur Floquet.
Il existe un intérêt significatif pour le contrôle transitoire de la structure de bande d’un semi-conducteur monocouche en utilisant des impulsions lumineuses ultra-courtes pour créer et contrôler de nouvelles phases exotiques de matière.
Les états temporaires résultants connus sous le nom d’états de Floquet-Bloch sont intéressants du point de vue de la recherche pure ainsi que pour une nouvelle classe de transistor proposée basée sur les isolants topologiques de Floquet (FTI).
Dans une découverte importante, les impulsions lumineuses ultra-courtes nécessaires pour détection la formation d’états de Floquet s’est avérée aussi efficace dans déclenchement l’état comme illumination continue, une question importante qui, jusqu’à présent, avait été largement ignorée.
ONDE CONTINUE OU ULTRA COURT-PULSIONS : LE PROBLÈME DU TEMPS
La physique de Floquet, qui a été utilisée pour prédire comment un isolant peut être transformé en un FTI, repose sur un champ purement sinusoïdal, c’est-à-dire un éclairage continu, monochromatique (une seule longueur d’onde) qui n’a ni début ni fin.
Pour observer cette transition de phase, cependant, seules les impulsions ultracourtes offrent des intensités de crête suffisantes pour produire un effet détectable. Et là, c’est le hic.
L’activation ou la désactivation de la source de lumière la plus pure introduit une large gamme de fréquences supplémentaires dans le spectre de la lumière ; plus la commutation est abrupte, plus le spectre est large. En conséquence, les impulsions ultracourtes comme celles utilisées ici ne sont pas conformes aux hypothèses sur lesquelles repose la physique de Floquet.
“Les impulsions ultracourtes sont à peu près aussi loin que possible d’une onde monochromatique”, explique le Dr Stuart Earl de l’Université de technologie de Swinburne (Australie).
“Cependant, nous avons maintenant montré que même avec des impulsions plus courtes que 15 cycles optiques (34 femtosecondes, ou 34 millionièmes de milliardième de seconde), cela n’a tout simplement pas d’importance.”
LA SPECTROSCOPIE POMPE-SONDE D’UNE MONOCOUCHE ATOMIQUE PROVOQUE UNE RÉPONSE INSTANTANÉE
Le Dr Earl, avec des collaborateurs de l’Université nationale australienne et de l’ARC Center for Future Low-Energy Electronic Technologies (FLEET), a soumis une monocouche atomique de disulfure de tungstène (WS2) à des impulsions lumineuses de durée variable mais de même énergie totale, modifiant l’intensité maximale de manière contrôlée.
WS2 est un dichalcogénure de métal de transition (TMD), une famille de matériaux étudiés pour une utilisation dans l’électronique future « au-delà du CMOS ».
L’équipe a utilisé la spectroscopie pompe-sonde pour observer un changement transitoire de l’énergie de l’exciton A de WS2 en raison de l’effet Stark optique (la réalisation la plus simple de la physique de Floquet). Grâce à leur utilisation d’une impulsion de pompe sous-bande interdite, le signal qu’ils ont mesuré, qui n’a persisté qu’aussi longtemps que l’impulsion elle-même, était dû aux interactions entre l’équilibre et les photons habillés. virtuel états au sein de l’échantillon.
“Cela peut sembler étrange que nous puissions exploiter des états virtuels pour manipuler une transition réelle”, déclare le Dr Earl. “Mais parce que nous avons utilisé une impulsion de pompe à sous-bande interdite, aucun état réel n’a été rempli.”
« Le WS2 a répondu instantanément, mais de manière plus significative, sa réponse dépendait linéairement de l’intensité instantanée de l’impulsion, tout comme si nous avions allumé un champ monochromatique infiniment lentement, c’est-à-dire adiabatiquement », explique le professeur Jeff Davis, également à l’Université de technologie de Swinburne. « Ce fut une découverte passionnante pour notre équipe. Malgré des impulsions extrêmement courtes, les états du système sont restés cohérents”
Une perturbation adiabatique est une perturbation introduite extrêmement lentement, de sorte que les états du système aient le temps de s’adapter, une exigence cruciale pour les FTI. Alors que les impulsions ultracourtes ne devraient pas être compatibles avec cette exigence, ce résultat montre clairement que pour ces monocouches atomiques, c’est le cas. Cela permet désormais à l’équipe d’attribuer toute preuve de comportement non adiabatique à l’échantillon, plutôt qu’à leur expérience.
Ces découvertes permettent maintenant à l’équipe FLEET d’explorer les états de Floquet-Bloch dans ces matériaux avec une impulsion supérieure à la bande interdite, qui, théoriquement, devrait conduire le matériau dans la phase exotique connue sous le nom d’isolant topologique de Floquet. La compréhension de ce processus devrait ensuite aider les chercheurs à incorporer ces matériaux dans une nouvelle génération de transistors à faible énergie, à large bande passante et potentiellement ultrarapides.
Les systèmes présentant un transport sans dissipation lorsqu’ils sont hors d’équilibre sont étudiés dans le cadre du thème de recherche 3 de FLEET, à la recherche d’une nouvelle électronique à très basse énergie pour faire face à l’énergie croissante et non durable consommée par le calcul (déjà 8 % de l’électricité mondiale et doublant chaque décennie).
