Des chercheurs de l’ETH Zurich ont démontré, pour la première fois avec une résolution temporelle et spatiale très élevée, que les électrons de certains matériaux bidimensionnels ne suivent le mouvement des noyaux atomiques qu’avec un certain retard. Cette découverte pourrait conduire à la mise au point de nouveaux dispositifs électroniques à l’avenir.
L’une des grandes réussites de la physique du XXe siècle a été la description mécanique quantique des solides. Cela a permis aux scientifiques de comprendre pour la première fois comment et pourquoi certains matériaux conduisent le courant électrique et comment ces propriétés pouvaient être modifiées de manière ciblée. Par exemple, les semi-conducteurs comme le silicium ont pu être utilisés pour produire des transistors, ce qui a révolutionné l’électronique et rendu les ordinateurs modernes possibles.
Pour pouvoir saisir mathématiquement l’interaction complexe entre les électrons et les noyaux atomiques ainsi que leurs mouvements dans un solide, les physiciens ont dû effectuer des simplifications. Ils ont supposé, par exemple, que les électrons légers d’un atome suivent le mouvement des noyaux atomiques beaucoup plus lourds dans un réseau cristallin sans aucun délai. Pendant plusieurs décennies, cette approximation de Born-Oppenheimer a bien fonctionné.
L’approximation échoue dans certains matériaux
Cependant, des chercheurs de l’ETH Zurich et de l’Institut Max Planck pour la structure et la dynamique de la matière à Hambourg ont maintenant montré que les électrons dans certains matériaux répondent avec un retard. De plus, ce retard dépend de l’endroit où les électrons sont localisés et de l’état d’énergie qu’ils occupent.
Grâce à des expériences avec une résolution attoseconde et des calculs théoriques, Ursula Keller et Lukas Gallmann du Département de physique de l’ETH ont pu prouver que les électrons dans des matériaux en couches planes, appelés MXenes, répondent au mouvement des noyaux atomiques avec un retard notable. Les chercheurs ont récemment publié leurs résultats dans la revue scientifique Science. Ces résultats pourraient contribuer à développer à l’avenir de nouveaux dispositifs opto-électroniques.
Un effet intéressant dans les matériaux de type graphène
Les scientifiques utilisent la spectroscopie attoseconde pour étudier des événements physiques avec une résolution temporelle inimaginable de l’ordre du milliardième de milliardième de seconde (10^-18 seconde). Au cours des trente dernières années, les chercheurs de l’ETH ont réalisé un travail pionnier dans ce domaine. « Les phonons, ou vibrations du réseau, n’ont pas été notre principal intérêt car ils sont relativement lents », explique Sergej Neb, postdoctorant dans le groupe de Keller et premier auteur de l’article. Cependant, en étudiant les phonons dans les MXenes, lui et ses collègues ont découvert le retard inattendu dans le mouvement des électrons.
Les MXenes sont des matériaux bidimensionnels similaires au graphène. Le MXene étudié par les chercheurs de l’ETH est constitué de plusieurs couches dans lesquelles des atomes de titane, de carbone et d’oxygène se lient pour former un réseau. Le matériau a été produit par des collègues du Département de génie mécanique et des procédés.
Mais comment étudier les vibrations du réseau à l’intérieur d’un tel matériau ? Les physiciens ont réussi à exciter les vibrations du réseau dans le MXene en utilisant une courte impulsion laser infrarouge. Ensuite, ils ont irradié le matériau avec une impulsion laser attoseconde dans l’ultraviolet extrême et ont mesuré la quantité de lumière laser traversant le matériau. En fonction de la longueur d’onde des impulsions, les électrons du matériau pouvaient être excités pour absorber les photons ultraviolets et ainsi atteindre des niveaux d’énergie plus élevés. Enfin, les chercheurs ont répété l’expérience sans exciter initialement les vibrations du réseau. À partir de la différence entre les deux résultats, ils ont pu déduire le mouvement des électrons et des noyaux atomiques.
Les électrons sont à la traîne
En variant notamment l’intervalle de temps entre les deux impulsions laser de quelques femtosecondes (10^-15 seconde, ou le millionième d’un milliardième de seconde) jusqu’à des picosecondes (10^-12 seconde, ou le millième d’un milliardième de seconde), les physiciens ont pu déterminer très précisément le retard avec lequel les électrons ont réagi à l’excitation soudaine des vibrations du réseau.
« Évidemment, dans l’approximation standard de Born-Oppenheimer, nous ne nous attendrions à aucun retard », affirme Neb, « mais nous avons remarqué que les électrons retardaient derrière les noyaux atomiques jusqu’à trente femtosecondes – dans le monde de l’attoseconde, c’est un temps très long. »
Enfin, les chercheurs de l’ETH ont comparé leurs données aux résultats d’un modèle mathématique développé par leurs collègues de Hambourg. De cette comparaison, ils ont pu déduire que les vibrations des noyaux atomiques influencent la distribution spatiale des électrons, ce qui, à son tour, modifie le champ électromagnétique au voisinage des atomes dans le réseau. De plus, les interactions entre les électrons ont joué un grand rôle.
Mais il y a plus : à partir des données, Neb et ses collègues ont même pu voir comment les électrons au voisinage des différents atomes du MXene se comportaient. « Une telle vue de la dynamique entre les électrons et les phonons au niveau des atomes individuels – et même en fonction de leur état, de leurs liaisons et de leur énergie – n’était pas possible jusqu’à présent. Cette résolution détaillée n’a été rendue possible que par notre technologie attoseconde », explique Neb.
Les chercheurs espèrent que leurs nouvelles perspectives sur l’interaction entre les électrons et les vibrations du réseau conduiront à des modèles mathématiques plus précis au-delà des approximations habituelles. Des applications pratiques peuvent également être envisagées. « Notre méthode nous permet de mesurer la force de couplage entre les électrons et les vibrations du réseau. À partir de là, nous pouvons prédire dans quelles conditions certains électrons contribuent plus ou moins fortement à la conduction thermique », ajoute Neb.
Une meilleure compréhension du transport d’énergie et de charge permet un meilleur contrôle des matériaux et, par conséquent, ouvre de nouvelles possibilités pour les dispositifs opto-électroniques à l’échelle nanométrique. Dans le même temps, les perspectives microscopiques sur la conduction thermique au niveau atomique constituent un point de départ pour le développement de composants électroniques encore plus petits et plus efficaces.
Article : Local fields reveal atomic-scale nonadiabatic carrier-phonon dynamics – Journal : Science – DOI : Lien vers l’étude
Source : ETHZ
