Une antenne inattendue pour les sources de lumière à l'échelle nanométrique

La commutation et la modulation rapides de la lumière sont au cœur, entre autres, du transfert de données moderne, dans lequel les informations sont envoyées par des câbles à fibres optiques sous la forme de faisceaux lumineux modulés. Depuis plusieurs années, il est possible de miniaturiser les modulateurs de lumière et de les intégrer dans des puces, mais les sources lumineuses elles-mêmes - diodes électroluminescentes (DEL) ou lasers - posent encore des problèmes aux ingénieur·es. Une équipe de recherche de l'ETH Zurich dirigée par le professeur Lukas Novotny, en collaboration avec des collègues de l'EMPA à Dübendorf et de l'ICFO à Barcelone, a découvert un nouveau mécanisme permettant de produire à l'avenir des sources lumineuses minuscules mais efficaces. Les résultats de leurs recherches ont récemment été publiés dans la revue scientifique Nature Materials.

Tenter l'inattendu

«Pour y parvenir, nous avons d'abord dû tenter l'inattendu», explique Lukas Novotny. Depuis plusieurs années, ses collègues et lui travaillent sur des sources lumineuses miniatures basées sur l'effet tunnel. Entre deux électrodes (en or et en graphène dans ce cas) séparées par un matériau isolant, les électrons peuvent passer par un tunnel selon les règles de la mécanique quantique. Dans des circonstances particulières, c'est-à-dire si le processus de tunnel est inélastique, ce qui signifie que l'énergie des électrons n'est pas conservée, il est possible de créer de la lumière.

«Malheureusement, le rendement de ces sources lumineuses est assez faible car l'émission radiative est très inefficace», explique le postdoc Sotirios Papadopoulos. Ce problème d'émission est bien connu dans d'autres domaines technologiques. Dans les téléphones portables, par exemple, les puces qui créent les micro-ondes nécessaires à la transmission ne mesurent que quelques millimètres. En revanche, les micro-ondes elles-mêmes ont une longueur d'onde d'environ 20 centimètres, ce qui les rend cent fois plus grandes que la puce. Pour surmonter cette différence de taille, une antenne est nécessaire (qui, dans les téléphones modernes, n'est en fait plus visible de l'extérieur). De même, dans les expériences des chercheurs et chercheuses zurichoises, la longueur d'onde de la lumière est beaucoup plus grande que la source lumineuse.

Semi-conducteur à l'extérieur de la jonction tunnel

«On pourrait donc penser que nous étions consciemment à la recherche d'une solution d'antenne, mais en réalité ce n'était pas le cas», explique Sotirios Papadopoulos. Comme d'autres groupes avant elles et eux, les scientifiques ont étudié des couches de matériaux semi-conducteurs tels que le disulfure de tungstène d'une épaisseur d'un seul atome prises en sandwich entre les électrodes de la jonction tunnel afin de créer de la lumière de cette manière. En principe, on pourrait supposer que la position optimale se situe quelque part entre les deux électrodes, peut-être un peu plus près de l'une que de l'autre. Au lieu de cela, leschercheuses et chercheurs ont tenté quelque chose de complètement différent en plaçant le semi-conducteur au-dessus de l'électrode de graphène, complètement à l'extérieur de la jonction tunnel.

Action surprenante de l'antenne

De manière surprenante, cette position apparemment illogique a très bien fonctionné. Les scientifiques en ont trouvé la raison en faisant varier la tension appliquée à la jonction tunnel et en mesurant le courant qui la traverse. Cette mesure a révélé une résonance claire, qui correspondait à une résonance dite d'exciton du matériau semi-conducteur. Les excitons sont constitués d'un trou chargé positivement, qui correspond à un électron manquant, et d'un électron lié au trou. Ils peuvent être excités, par exemple, par une irradiation lumineuse. La résonance des excitons indique clairement que le semi-conducteur n'est pas excité directement par des porteurs de charge - après tout, il n'y a pas d'électrons qui le traversent - mais qu'il absorbe l'énergie créée dans la jonction tunnel et la réémet ensuite. En d'autres termes, il se comportait comme une antenne.

Applications dans les sources de lumière à l'échelle nanométrique

«Pour l'instant, cette antenne n'est pas très performante parce qu'à l'intérieur du semi-conducteur, des excitons sombres sont créés, ce qui signifie que peu de lumière est émise», concède Lukas Novotny : «L'améliorer sera notre tâche dans un avenir proche». Si les chercheurs et chercheuses parviennent à rendre plus efficace l'émission de lumière par le semi-conducteur, il devrait être possible de créer des sources lumineuses qui ne mesurent que quelques nanomètres et sont donc mille fois plus petites que la longueur d'onde de la lumière qu'elles produisent. Comme il n'y a pas d'électrons qui circulent dans l'antenne du semi-conducteur, il n'y a pas non plus d'effets indésirables qui se produisent généralement aux frontières et qui peuvent réduire l'efficacité. «Quoi qu'il en soit, nous avons ouvert la voie à de nouvelles applications», déclare Lukas Novotny. Tenter l'inattendu a manifestement porté ses fruits.