Des chercheurs de l’Université du Michigan ont créé un dispositif qui leur permet de contrôler le flux d’électrons à travers un semi-conducteur en utilisant uniquement la lumière laser, sans source d’alimentation électrique.
Ce dispositif a été construit pour explorer la physique fondamentale et réaliser un comportement auparavant non observé, mais il pourrait également ouvrir des portes à de nouvelles applications dans des domaines qui relient l’optique et l’électronique, notamment la détection, l’imagerie et les télécommunications. Le phénomène pourrait contribuer à améliorer la transmission des signaux à travers et entre les dispositifs, ainsi qu’à créer de nouvelles opportunités pour stocker davantage d’informations dans ces signaux.
« Ce dispositif électrique que nous avons fabriqué au Lurie Nanofabrication Facility a le potentiel de devenir quelque chose qui mesure différents aspects de la lumière », a déclaré Yiming Gong, qui a contribué à diriger le projet en tant que doctorant au Département de physique de l’U-M. « Mais cela provient d’un niveau très fondamental de la physique, qui est l’interférence entre différents processus d’absorption optique. »
Avec le soutien fédéral de la U.S. National Science Foundation, les chercheurs ont montré qu’ils pouvaient induire un flux ordonné d’électrons à travers un semi-conducteur en utilisant deux couleurs de lumière différentes. En faisant tourner la polarisation des deux champs optiques — la direction dans laquelle les ondes lumineuses oscillent — les chercheurs pouvaient également contrôler la direction du courant électronique.
« Ce n’est pas ainsi que les choses fonctionnent normalement. Quand vous pensez aux électrons se déplaçant dans un matériau, ils se déplacent parce que vous avez appliqué un champ électrique et ils rebondissent et dérivent à travers les matériaux. Ici, en utilisant la lumière, vous pouvez en quelque sorte projeter les électrons dans une direction spécifique sans appliquer de champ électrique », a expliqué le physicien de l’U-M Steven Cundiff, auteur principal du nouveau rapport de l’équipe dans la revue Physical Review Letters.
Bien que des travaux antérieurs aient montré la capacité de la lumière à faire circuler les électrons uniquement avec de la lumière, ces travaux vont plus loin et montrent que la lumière fait circuler les électrons dans un faisceau étroit dans une direction spécifique.
« La lumière ne se contente plus d’allumer le courant ; elle le dirige également », a déclaré Cundiff.
Cundiff compare cela à un phare, qui balaie un faisceau de lumière en faisant tourner sa lampe. Ici, le faisceau est constitué d’électrons et ce faisceau peut être tourné en faisant tourner la polarisation des deux champs optiques cohérents en phase.
Le phénomène repose sur l’interférence quantique, qui se produit lorsque deux couleurs de lumière entraînent différentes voies d’absorption vers le même état final. La lumière transfère de l’énergie au matériau semi-conducteur en paquets discrets, ou quantifiés, appelés photons, qui mobilisent les porteurs de charge électrique du matériau.
Dans le montage de l’U-M, la lumière incidente est absorbée par deux voies à la fois, et les voies peuvent être considérées comme des ondulations qui se chevauchent, a déclaré Cundiff. Ces ondulations s’alignent et se renforcent mutuellement pour les électrons se déplaçant dans une certaine direction, mais s’annulent pour les électrons se déplaçant dans d’autres directions.
Un collaborateur d’un projet antérieur, J.E. Sipe de l’Université de Toronto, avait prédit qu’il serait possible de créer un tel « phare à électrons ». Maintenant, en travaillant avec le Lurie Nanofabrication Facility, Gong a pu réaliser un tel dispositif.
« Le LNF est une installation incroyable », a déclaré Gong, ajoutant que c’était un processus minutieux de fusionner les matériaux du dispositif d’une manière qui n’introduisait aucun champ électrique parasite.
« C’était le plus grand casse-tête à résoudre pour moi, car il n’y a pas de méthode standard pour le faire. J’ai donc travaillé avec le personnel du LNF pour expérimenter différentes recettes et températures et élaborer un processus de fabrication. »
Kai Wang, ancien post-doctorant avec Cundiff et maintenant professeur d’électronique et d’information à l’Université Sun Yat-Sen en Chine, a fourni des conseils supplémentaires à Gong sur ce projet. Gong a obtenu son doctorat de l’U-M et travaille maintenant à Chicago en tant que scientifique en apprentissage automatique, où il applique les compétences quantitatives et analytiques développées grâce à ses recherches en physique à l’apprentissage automatique.
Article : Directional Photocurrent Generated by Quantum Interference Control – Journal : Physical Review Letters
Source : Michigan U.
