Des pièges quantiques accordables pour les excitons

Dans les matériaux semi-conducteurs, le courant électrique peut être conduit à la fois par des électrons et par des trous chargés positivement, ou des électrons manquants. La lumière qui frappe le matériau peut également exciter les électrons vers une bande d'énergie supérieure, laissant derrière elle un trou dans la bande d'origine. Par attraction électrostatique, l'électron et le trou se combinent alors pour créer un exciton, une quasi-particule qui, dans son ensemble, se comporte comme une particule neutre. En raison de leur neutralité, il était jusqu'à présent difficile de maintenir les excitons en un point spécifique à l'intérieur d'un matériau.

Une équipe de scientifiques dirigée par Ataç Imamoğlu, professeur au département de physique, Puneet Murthy, postdoc dans son groupe, et David Norris, professeur au département de génie mécanique et des procédés, a réussi pour la première fois à piéger des excitons dans un espace minuscule à l'aide de champs électriques contrôlables, et à démontrer la quantification de leur mouvement. Les chercheurs espèrent que leurs résultats, récemment publiés dans la revue scientifique Nature, permettront de progresser vers des applications dans les technologies optiques ainsi que vers de nouvelles connaissances sur les phénomènes physiques fondamentaux.

Une interface importante

«Les excitons jouent un rôle important à l'interface entre les semi-conducteurs et la lumière», explique Dave Murthy. Ils sont utilisés, par exemple, dans les capteurs de lumière, les cellules solaires ou même les nouvelles sources de photons uniques pour les technologies quantiques. Les piéger de manière contrôlée est un objectif ambitieux de la recherche en physique de l'état solide depuis de nombreuses années.

Les scientifiques de l'ETH Zurich ont créé leurs pièges à exciton en prenant en sandwich une fine couche de diséléniure de molybdène, un matériau semi-conducteur, entre deux isolants et en ajoutant une électrode en haut et en bas.  Dans cette configuration, l'électrode supérieure ne couvre qu'une partie du matériau. Par conséquent, l'application d'une tension crée un champ électrique dont l'intensité dépend de la position à l'intérieur du matériau. Ainsi, les trous chargés positivement s'accumulent à l'intérieur du semi-conducteur directement sous l'électrode supérieure, tandis que les électrons chargés négativement s'accumulent ailleurs. Dans le plan du semi-conducteur, un champ électrique se crée donc entre ces deux zones.

Mouvement quantifié de l'exciton

«Ce champ électrique, qui varie fortement sur une courte distance, peut piéger très efficacement les excitons dans le matériau», explique Deepankur Thureja, doctorant et auteur principal de l'article, qui a réalisé les expériences avec Puneet Murthy. Bien que les excitons soient électriquement neutres, ils peuvent être polarisés par des champs électriques, ce qui signifie que l'électron et le trou de l'exciton sont un peu plus éloignés. Il en résulte un champ dipolaire électrique, qui interagit avec le champ externe et exerce ainsi une force sur l'exciton.

Pour démontrer expérimentalement que ce principe fonctionne réellement, les chercheurs ont éclairé le matériau avec une lumière laser de différentes longueurs d'onde et ont mesuré la réflexion de la lumière dans chaque cas. Ce faisant, ils ont observé une série de résonances, ce qui signifie qu'à certaines longueurs d'onde, la lumière était réfléchie plus fortement que prévu. En outre, les résonances pouvaient être réglées en modifiant la tension des électrodes. «Pour nous, c'était un signe clair que les champs électriques créaient un piège pour les excitons, et que le mouvement des excitons à l'intérieur de ce piège était quantifié», explique Deepankur Thureja. Quantifié signifie ici que les excitons ne peuvent prendre que certains états d'énergie bien définis, un peu comme les électrons dans un atome. À partir des positions des résonances, Ataç Imamoğlu et ses collègues ont pu déduire que le piège à excitons créé par les champs électriques avait une largeur inférieure à dix nanomètres.

Applications dans le traitement de l'information quantique

Ces excitons fortement piégés sont extrêmement importants tant pour les applications pratiques que pour les questions fondamentales, explique Puneet Murthy: «Les pièges à excitons contrôlables électriquement étaient jusqu'à présent un maillon manquant de la chaîne». Par exemple, les physiciens peuvent désormais enchaîner plusieurs excitons piégés de ce type et les ajuster de manière à ce qu'ils émettent des photons ayant exactement les mêmes propriétés. «Cela permettrait de créer des sources de photons uniques identiques pour le traitement de l'information quantique», explique Puneet Murthy. Et Ataç Imamoğlu ajoute: «Ces pièges ouvrent également de nouvelles perspectives pour la recherche fondamentale. Ils nous permettront, entre autres, d'étudier les états hors équilibre des excitons en forte interaction.»