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Using complex experimental set-ups, the researchers study the extremely fast movements of electrons in solids with laser

À l'aide de dispositifs expérimentaux complexes, les chercheurs étudient les mouvements extrêmement rapides des électrons dans les solides à l'aide d'impulsions laser offrant une haute résolution temporelle. (Crédit : Université d'Oldenburg / Marcus Windus)

Des interrupteurs lumineux en semi-conducteurs ultraminces

par La rédaction
24 janvier 2026
en Nanotechnologie, Technologie

Une nanostructure composée d’argent et d’une couche semi-conductrice atomiquement mince peut être transformée en un dispositif miroir de commutation ultrarapide, fonctionnant comme un transistor optique – avec une vitesse de commutation environ 10 000 fois supérieure à celle d’un transistor électronique. Une équipe internationale de chercheurs dirigée par le physicien de l’Université d’Oldenburg, le professeur Dr Christoph Lienau, décrit cet effet dans un article publié dans le dernier numéro de Nature Nanotechnology. Ces commutateurs de lumière ultrarapides ouvrent des perspectives intéressantes pour le traitement optique des données, expliquent les chercheurs.

L’objectif de l’équipe était de trouver un matériau dont les propriétés réfléchissantes pourraient être manipulées, ou « commutées », en quelques femtosecondes à l’aide d’un faisceau laser hautement focalisé. Une femtoseconde équivaut à un millionième de milliardième de seconde. Pour leurs expériences, les chercheurs ont utilisé un « réseau de nanoslits » en argent ultramince, dans la surface duquel ils ont usiné une grille de rainures parallèles d’environ 45 nanomètres (ou milliardièmes de mètre) de largeur et de profondeur. Des membres de l’équipe de recherche de l’Université de Cambridge (Royaume-Uni) ont ensuite appliqué une monocouche du cristal semi-conducteur disulfure de tungstène, épaisse de seulement trois atomes, à la surface de cette structure.

Les plasmon-polaritons exhibent des propriétés à la fois de la lumière et de la matière

Avec cette combinaison, la nanostructure a affiché une réaction inhabituelle à la lumière : « Pris séparément, aucun des deux matériaux ne présente d’effet de commutation », explique Lienau. Cependant, lorsqu’ils sont combinés dans une nanostructure hybride, ils réagissent très différemment à la lumière, se transformant en ce que l’on appelle un « métamatériau actif ». La lumière qui frappe la surface de la nanostructure peut alors être stockée dans un état quantique hybride, connu sous le nom de polariton exciton-plasmon, pendant environ 70 femtosecondes avant d’être réfléchie. Dans cet état, qui présente des propriétés à la fois de la lumière et de la matière, la lumière se propage à la surface de la couche semi-conductrice sous forme d’ondes plasmoniques, produisant une forte interaction avec les paires électron-trou liées de la couche semi-conductrice, les excitons.

Moritz Gittinger (left) and Daniel Timmer stand in front of the experiment that the study is based on.
Moritz Gittinger (à gauche) et Daniel Timmer devant l’expérience sur laquelle repose l’étude. (Crédit : Université d’Oldenburg / Marcus Windus)

« Pendant cette phase de stockage, nous avons pu contrôler la réflectivité de cette couche », déclare le Dr Daniel Timmer de l’Institut de physique de l’Université d’Oldenburg, qui a été le premier auteur de l’étude avec le Dr Moritz Gittinger. Les chercheurs ont utilisé une impulsion laser externe pour modifier l’intensité de l’interaction entre les excitons et les ondes plasmoniques. Dès leurs premières expériences, ils ont pu modifier la luminosité de la lumière réfléchie jusqu’à 10 % – une valeur étonnamment élevée qui pourrait potentiellement être encore augmentée avec des matériaux optimisés.

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Timmer et Gittinger ont étudié l’effet en utilisant la spectroscopie électronique bidimensionnelle (2DES). Cette technique complexe permet aux scientifiques d’observer les interactions quantiques avec une résolution temporelle de seulement quelques femtosecondes, comme s’ils regardaient un film. Une équipe dirigée par Lienau a récemment trouvé une astuce pour simplifier la procédure 2DES et ainsi étendre son utilisation à d’autres études. « Dans l’étude actuelle, nous avons pu examiner un métamatériau pour la première fois en utilisant des impulsions lumineuses plus courtes que le processus de commutation observé », explique Lienau. Les scientifiques ont ainsi pu enregistrer les différentes étapes du phénomène à des intervalles de seulement quelques femtosecondes.  

Ces commutateurs pourraient augmenter considérablement la quantité d’information transmise par unité de temps

« Nos résultats sont particulièrement intéressants si l’on veut fabriquer des commutateurs de lumière ultrarapides à l’échelle nanométrique », affirme Lienau, citant le domaine du traitement optique des données comme un domaine d’application potentiel. « Avec ces commutateurs, la quantité d’informations pouvant être transmise par unité de temps augmenterait considérablement. »

À titre de comparaison, le temps de commutation des transistors électroniques actuellement utilisés dans des millions d’ordinateurs et de téléviseurs LED est environ mille fois plus long. D’un point de vue physique, les technologies optiques sont donc le seul moyen d’augmenter encore la fréquence d’horloge des ordinateurs conventionnels, explique Lienau, ajoutant que les commutateurs de lumière ultrarapides à l’échelle nanométrique pourraient également ouvrir des possibilités intéressantes pour la fabrication de puces, les capteurs optiques ou les ordinateurs quantiques. « La tâche principale consistera à concevoir, adapter et optimiser les métamatériaux actifs de manière à rendre ces applications possibles », souligne-t-il.  

Outre l’équipe d’Oldenburg, des chercheurs de l’Université de Cambridge (Royaume-Uni), du Politecnico di Milano (Italie) et de la Technische Universität Berlin ont participé à l’étude.

Article : Ultrafast transition from coherent to incoherent polariton nonlinearities in a hybrid 1L-WS2/plasmon structure – Journal : Nature Nanotechnology – Méthode : Experimental study – DOI : Lien vers l’étude

Source : Oldenburg U.

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Tags: commutationhybridemetamatériauoptique
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A nanostructure made of silver and an atomically thin semiconductor layer can be turned into an ultrafast switching mirror device that may function as an optical transistor – with a switching speed around 10,000 times faster than an electronic transistor. An international team of researchers led by University of Oldenburg physicist Professor Dr. Christoph Lienau describes this effect in a paper published in the current issue of Nature Nanotechnology. Ultrafast light switches offer interesting prospects for optical data processing, the researchers explain.

The team’s goal was to find a material whose reflective properties could be manipulated, or “switched”, within a few femtoseconds using a highly focused laser beam. One femtosecond is equal to one millionth of a billionth of a second. For their experiments the researchers used an ultra-thin silver “nano-slit array”, into the surface of which they milled a grid of parallel grooves of approximately 45 nanometres (or billionths of a metre) in width and depth. Members of the research team from the University of Cambridge (UK) then applied a monolayer of the semiconductor crystal tungsten disulphide just three atoms thick to the surface of this structure.

Plasmon-polaritons exhibit properties of both light and matter

With this combination, the nanostructure displayed an unusual reaction to light: “Taken separately, neither of the two materials exhibits a switching effect,” Lienau explains. However, when combined in a hybrid nanostructure they react very differently to light, turning into what is known as an “active metamaterial”. Light that hits the nanostructure’s surface can then be stored in a hybrid quantum state known as an exciton-plasmon polariton for around 70 femtoseconds before it is reflected. In this state, which exhibits properties of both light and matter, the light propagates across the surface of the semiconductor layer in the form of plasmon waves, producing a strong interaction with the bound electron-hole pairs of the semiconductor layer, the excitons.

“During this storage phase we were able to control the reflectivity of this layer,” says Dr Daniel Timmer from the University of Oldenburg’s Institute of Physics, who was lead author of the study together with Dr Moritz Gittinger. The researchers used an external laser pulse to modify the strength of the interaction between the excitons and plasmon waves. They were already able to change the brightness of the reflected light by up to 10 percent in their first experiments – a surprisingly high value that could potentially be further boosted with optimised materials.

Timmer and Gittinger investigated the effect using two-dimensional electronic spectroscopy (2DES). This complex technique makes it possible for scientists to observe quantum physical interactions with a time resolution of just a few femtoseconds, as if they were watching a film. A team led by Lienau recently came up with a trick to simplify the 2DES procedure and thus extend its use to other studies. “In the current study, we were able to investigate a metamaterial for the first time by using light pulses that were shorter than the observed switching process,” Lienau explains. The scientists were thus able to record the different stages of the phenomenon at intervals of just a few femtoseconds.  

These switches could dramatically increase the amount of information that can be transmitted per unit of time

“Our findings are of particular interest if we want to make ultrafast light switches on the nanoscale,” says Lienau, citing the field of optical data processing as a potential area of application. “With these switches, the amount of information that can be transmitted per unit of time would increase dramatically.” For comparison, the switching time of the electronic transistors currently used in millions of computers and LED televisions is about a thousand times longer. From a physics perspective, optical technologies are therefore the only way to further increase the clock speed of conventional computers, Lienau explains, adding that nanoscale ultrafast light switches could also open up interesting possibilities for chip manufacturing, optical sensors or quantum computers. “The main task will be to design, tailor and optimise active metamaterials in such a way as to make these applications possible,” he emphasises.  

In addition to the Oldenburg team, researchers from the University of Cambridge (UK), the Politecnico di Milano (Italy) and the Technische Universität Berlin participated in the study.

Journal

Nature Nanotechnology

DOI

10.1038/s41565-025-02054-4

Method of Research

Experimental study

Subject of Research

Not applicable

Article Title

Ultrafast transition from coherent to incoherent polariton nonlinearities in a hybrid 1L-WS2/plasmon structure

Article Publication Date

21-Jan-2026

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