Nanophysique : le bon tournant

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Des couches empilées de matériaux semi-conducteurs ultrafins présentent des phénomènes qui peuvent être exploités pour de nouvelles applications. Une équipe dirigée par le physicien du LMU Alexander Högele a étudié les effets qui émergent en donnant une légère torsion à deux couches.

De nouveaux nanomatériaux ultrafins présentent des propriétés remarquables. Si vous empilez des couches individuelles de cristaux atomiquement minces dans un assemblage vertical, par exemple, des effets physiques fascinants peuvent se produire. Par exemple, les bicouches du graphène, un matériau merveilleux, tordues par l’angle magique de 1,1 degré peuvent présenter une supraconductivité. Et les chercheurs concentrent également leur attention sur les hétérostructures semi-conductrices bicouches constituées de dichalcogénures de métaux de transition, qui sont faiblement maintenus ensemble par les forces de van der Waals.

Le groupe de recherche dirigé par Alexander Högele étudie ces nouvelles hétérostructures, qui n’existent pas dans la nature. « La combinaison des matériaux, le nombre de couches et leur orientation relative donnent lieu à une grande variété de phénomènes nouveaux », explique le physicien du LMU. « En laboratoire, nous pouvons adapter des phénomènes physiques à diverses applications en électronique, en photonique ou en technologie quantique avec des propriétés inconnues dans les cristaux naturels. » Les phénomènes observés expérimentalement ne sont pas toujours faciles à interpréter, cependant, comme un nouvel article publié dans la revue Nanotechnologie de la nature démontre.

L’équipe de Högele a étudié un système hétérobicouche maintenu par les forces de van der Waals et fabriqué à partir de monocouches semi-conductrices de diséléniure de molybdène (MoSe2) et de diséléniure de tungstène (WSe2). Selon l’orientation des couches individuelles, des effets de moiré peuvent apparaître. Ces effets, qui nous sont familiers dans la vie de tous les jours, se produisent également dans le nano-monde lorsque deux réseaux atomiques différents sont empilés l’un sur l’autre ou lorsque deux réseaux identiques sont tordus l’un par rapport à l’autre. La différence dans le cas du nano est qu’il ne s’agit pas d’un effet optique. Dans le monde de la mécanique quantique des hétérostructures cristallines atomiquement minces, l’interférence de moiré affecte considérablement les propriétés du système composite, impactant également les électrons et les paires électron-trou fortement liées, ou excitons, explique Högele.

« Notre travail montre que la notion naïve d’un moiré parfait dans l’hétérobicouche MoSe2-WSe2 n’est pas nécessairement vraie, en particulier pour les petits angles de rotation. Par conséquent, l’interprétation de la phénoménologie observée à ce jour devra être partiellement révisée », déclare Högele. Au lieu de motifs de moiré périodiques, il existe des zones étendues latéralement qui sont exemptes d’interférences de moiré. De plus, il existe des zones avec des effets mécaniques quantiques intéressants tels que des fils quantiques unidimensionnels ou des boîtes quantiques quasi nulles qui sont potentiellement viables pour des applications en communication quantique basées sur des excitons spatialement localisés avec des caractéristiques d’émission à photon unique. Dans ce dernier cas, les motifs moirés idéaux se transforment vraisemblablement en motifs périodiques avec un pavage triangulaire ou hexagonal.

La raison semble résider dans une déformation élastique de la structure du treillis qui dépend de l’orientation des couches. Les atomes sont déplacés hors de leurs positions d’équilibre, ce qui se fait au détriment d’une contrainte accrue dans les couches individuelles mais favorise une meilleure adhérence entre les couches. Le résultat est un paysage énergétique dans le système hétérobicouche qui peut être conçu et potentiellement exploité au moyen d’une conception rationnelle. « Nous observons également des phénomènes collectifs dans les cristaux synthétiques, où les motifs de moiré périodiques ont un effet dramatique sur le mouvement des électrons ainsi que sur leurs interactions mutuelles », explique Högele.

La compréhension des excitons – paires électron-trou – qui sont caractéristiques des différents types de registres atomiques dans les hétérostructures cristallines bicouches et qui pourraient potentiellement être utilisées dans de futures applications optoélectroniques est d’une importance décisive. Ces excitons sont générés dans des dichalcogénures de métaux de transition semi-conducteurs par absorption de lumière et se reconvertissent en lumière. « Les excitons agissent donc comme médiateurs de l’interaction lumière-matière dans les cristaux semi-conducteurs », explique Högele. Comme le montre l’article actuel, différents types d’excitons apparaissent en fonction de la structure réelle des systèmes hétérobicouches en alignement parallèle ou antiparallèle. « Nous voulons apprendre à fabriquer des hétérostructures de van der Waals avec des propriétés personnalisées dans une approche déterministe pour contrôler la riche phénoménologie émergente des effets corrélés tels que le magnétisme ou la supraconductivité. »

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