Les excitons sombres sous les projecteurs –

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  • Annonçant la fin d’une quête d’une décennie, dans une nouvelle classe prometteuse de semi-conducteurs bidimensionnels extrêmement minces, les scientifiques ont pour la première fois directement visualisé et mesuré des particules insaisissables, appelées excitons sombres, qui ne peuvent pas être vues par la lumière.

    La technique puissante, décrite dans le principal journal Science, pourrait révolutionner la recherche sur les semi-conducteurs et les excitons bidimensionnels, avec de profondes implications pour les futurs dispositifs technologiques, des cellules solaires et LED aux smartphones et lasers.

    Les excitons sont des états excités de la matière trouvés dans les semi-conducteurs – un ingrédient clé dans de nombreuses technologies actuelles. Ils se forment lorsque les électrons dans le matériau semi-conducteur sont excités par la lumière à un état d’énergie plus élevé, laissant derrière eux un “trou” au niveau d’énergie où l’électron résidait auparavant.

    «Les trous sont l’absence d’un électron et transportent ainsi la charge opposée à un électron», a expliqué l’auteur principal, le professeur Keshav Dani, qui dirige l’unité de spectroscopie femtoseconde à l’Okinawa Institute of Science and Technology Graduate University (OIST). “Ces charges opposées s’attirent, et les électrons et les trous se lient pour former des excitons qui peuvent ensuite se déplacer dans tout le matériau.”

    Dans les semi-conducteurs ordinaires, les excitons s’éteignent en moins de quelques milliardièmes de seconde après leur création. De plus, ils peuvent être «fragiles», ce qui les rend difficiles à étudier et à manipuler. Mais il y a une dizaine d’années, les scientifiques ont découvert des semi-conducteurs bidimensionnels, où les excitons sont plus robustes.

    “Les excitons robustes confèrent à ces matériaux des propriétés vraiment uniques et excitantes, il y a donc eu de nombreuses études intenses dans le monde entier visant à les utiliser pour créer de nouveaux dispositifs optoélectroniques”, a déclaré le co-premier auteur, le Dr Julien Madéo, scientifique de l’OIST Femtoseconde Spectroscopy Unité. “Mais pour le moment, il y a une limitation majeure avec la technique expérimentale standard utilisée pour mesurer les excitons.”

    Actuellement, les chercheurs utilisent des techniques de spectroscopie optique – mesurant essentiellement les longueurs d’onde de la lumière absorbées, réfléchies ou émises par le matériau semi-conducteur – pour découvrir des informations sur les états énergétiques des excitons. Mais la spectroscopie optique ne capture qu’une petite partie de l’image.

    Les scientifiques savent depuis longtemps qu’un seul type d’exciton, appelé excitons lumineux, peut interagir avec la lumière. Mais d’autres types d’excitons existent également, y compris les excitons sombres interdits par l’élan. Dans ce type d’exciton sombre, les électrons ont une impulsion différente de celle des trous auxquels ils sont liés, ce qui les empêche d’absorber la lumière. Cela signifie également que les électrons des excitons sombres ont un élan différent de celui des électrons des excitons brillants.

    «Nous savons qu’ils existent, mais nous ne pouvons pas les voir directement, nous ne pouvons pas les sonder directement, et par conséquent nous ne savons pas à quel point ils sont importants, ni à quel point ils impactent les propriétés optoélectroniques du matériau», a déclaré le Dr Madéo.

    Lumière brillante sur les excitons sombres

    Pour visualiser les excitons sombres pour la première fois, les scientifiques ont modifié une technique puissante qui était auparavant largement utilisée pour étudier des électrons uniques et non liés.

    “Il n’était pas clair comment cette technique fonctionnerait pour les excitons, qui sont des particules composites dans lesquelles les électrons sont liés. Il y avait beaucoup de travail théorique dans la communauté scientifique pour discuter de la validité de cette approche”, a déclaré le professeur Dani.

    Leur méthode proposait que si un faisceau de lumière contenant des photons d’une énergie suffisamment élevée était utilisé pour frapper des excitons dans le matériau semi-conducteur, l’énergie des photons briserait les excitons et expulserait les électrons du matériau.

    En mesurant la direction dans laquelle les électrons volent hors du matériau, les scientifiques seraient alors en mesure de déterminer le moment initial des électrons lorsqu’ils faisaient partie des excitons. Les scientifiques seraient donc non seulement capables de voir, mais aussi de différencier, les excitons brillants des excitons sombres.

    Mais la mise en œuvre de cette nouvelle technique a nécessité de résoudre d’énormes défis techniques. Les scientifiques devaient générer des impulsions lumineuses avec des photons ultraviolets extrêmes de haute énergie capables de diviser les excitons et de chasser les électrons du matériau. L’instrument devait alors pouvoir mesurer l’énergie et l’angle de ces électrons. De plus, les excitons étant de si courte durée, l’instrument devait fonctionner sur des échelles de temps inférieures à mille milliardièmes de seconde. Enfin, l’instrument nécessitait également une résolution spatiale suffisamment élevée pour mesurer les échantillons de semi-conducteurs 2D, qui sont généralement disponibles uniquement à l’échelle du micron.

    «Lorsque nous avons résolu tous les problèmes techniques et allumé l’instrument, il y avait essentiellement sur notre écran les excitons – c’était vraiment incroyable», a déclaré le co-premier auteur, le Dr Michael Man, également de l’unité de spectroscopie femtoseconde de l’OIST.

    Les chercheurs ont vu que, comme prévu, des excitons brillants et sombres étaient présents dans le matériau semi-conducteur. Mais à leur grande surprise, les scientifiques ont également découvert que les excitons sombres dominaient le matériau, dépassant en nombre les excitons brillants. L’équipe a en outre observé que dans certaines conditions, lorsque les électrons excités se dispersaient dans le matériau et changeaient d’élan, les excitons pouvaient passer de la luminosité à l’obscurité.

    “La domination des excitons sombres et l’interaction entre les excitons sombres et brillants suggèrent que les excitons sombres ont un impact encore plus important que prévu sur cette nouvelle classe de semi-conducteurs”, a déclaré le Dr Madéo.

    Cette technique est une véritable percée “, a conclu le professeur Dani.” Non seulement elle fournit la première observation des excitons sombres et éclaire leurs propriétés, mais elle inaugure une nouvelle ère dans l’étude des excitons et autres particules excitées. “

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