Classification spectrale des excitons – Technoguide

Les couches ultrafines de diséléniure de tungstène ont des applications potentielles dans l’optoélectronique et les technologies quantiques. Les chercheurs ont maintenant exploré comment ce matériau interagit avec la lumière en présence de champs magnétiques puissants.

En raison de leurs propriétés étonnantes et polyvalentes, les formes monocouches et bicouches atomiquement minces de dichalcogénures de métaux de transition semi-conducteurs ont suscité un grand intérêt ces dernières années. Jusqu’à présent, la plus grande attention a été accordée aux propriétés optiques de ces matériaux, tels que le sulfure de molybdène (MoS) et le diséléniure de tungstène (WSe2). Ces composés sont très prometteurs en tant qu’éléments à l’échelle nanométrique pour des applications dans les technologies optoélectroniques et quantiques. Dans une nouvelle étude, les physiciens du LMU dirigés par Alexander Högele ont maintenant développé un modèle théorique, qui décrit les effets des champs magnétiques sur le comportement des «excitons» dans les dichalcogénures de métaux de transition ultra-minces bidimensionnels. Les excitons sont des «quasiparticules» fortement liées, composées d’un électron dans la bande de conduction et de son homologue chargé positivement dans la bande de valence appelée «trou». En présence de champs magnétiques puissants, les états énergétiques de ces quasi-particules (c’est-à-dire les fréquences auxquelles elles émettent et absorbent la lumière) se séparent. Ce découpage spectral peut être mesuré expérimentalement et – plus important dans le contexte actuel – il peut également être théoriquement prédit.

Dans la nouvelle étude, l’équipe a refroidi des échantillons monocouches et bicouches de WSe2 à la température de l’hélium liquide de quelques degrés Kelvin. Les chercheurs ont ensuite utilisé la spectroscopie optique pour mesurer les spectres d’émission en tant que fonction d’un champ magnétique jusqu’à 9 Tesla et ont déterminé la division induite par le champ. «De telles mesures sont utiles pour étudier les excitons, qui à leur tour déterminent l’interaction lumière-matière des semi-conducteurs», explique Högele.

On savait déjà que les excitons peuvent se former dans différentes configurations. En plus des excitons brillants, qui se couplent directement à la lumière, l’appariement d’électrons et de trous peut produire des excitons «spin-dark» et «momentum-dark». Jusqu’à présent, il n’a pas été possible d’attribuer de manière concluante les signatures observées dans les spectres d’émission à ces différentes espèces d’excitons. En présence de champ magnétique, cependant, les pics d’émission individuels présentent des divisions spectrales caractéristiques. “Ce clivage peut être utilisé pour discriminer les différents types d’excitons”, dit Högele, “mais seulement si nous avons le modèle théorique correspondant.” L’équipe LMU a développé une théorie pour calculer à partir des premiers principes la division spectrale pour les différents types d’excitons en monocouche et bicouche WSe2 soumis au champ magnétique, et a comparé leurs prédictions théoriques avec les données expérimentales.

Les résultats fournissent une meilleure compréhension des propriétés optoélectroniques de WSe2 et des dichalcogénures de métaux de transition associés, où les excitons représentent l’interface principale de la lumière pour interagir avec la matière à l’échelle nanométrique. Les couches ultrafines de WSe2 servent de banc d’essai pour les exploitations technologiques du couplage lumière-matière dans les dispositifs optoélectroniques, notamment les photodétecteurs et les émetteurs ou les dispositifs photovoltaïques. «Ces matériaux ultra-minces sont mécaniquement flexibles et extrêmement compacts», déclare Högele. Ils sont également potentiellement viables pour les technologies quantiques car ils hébergent des «vallées» en tant que degrés de liberté quantiques qui peuvent servir de qubits, les unités de base du traitement de l’information dans les ordinateurs quantiques.

Source de l’histoire:

Matériel fourni par Ludwig-Maximilians-Universität München. Remarque: le contenu peut être modifié pour le style et la longueur.

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