Comment l’ETH a créé une antenne de lumière à l’échelle nanométrique

Des chercheurs de l’ETH ont innové en créant une antenne pour des sources de lumière sur une puce en utilisant un positionnement inhabituel d’un matériau semi-conducteur. À l’avenir, cette découverte pourrait permettre la production de LEDs et de lasers nanométriques efficaces.

La commutation rapide et la modulation de la lumière sont au cœur, entre autres, du transfert moderne de données, où l’information est transmise via des câbles à fibre optique sous forme de faisceaux lumineux modulés.

Si la miniaturisation des modulateurs de lumière et leur intégration dans les puces sont possibles depuis plusieurs années, les sources de lumière elles-mêmes – LEDs ou lasers – présentent toujours des défis aux ingénieurs.

Une équipe de chercheurs de l’ETH Zurich, en collaboration avec l’EMPA à Dübendorf et de l’ICFO à Barcelone, a découvert un nouveau mécanisme pour produire de minuscules mais efficaces sources de lumière à l’avenir. Les résultats de leurs recherches ont récemment été publiés dans la revue scientifique Nature Materials.

Une approche inattendue

Selon le Professeur Lukas Novotny, « pour y parvenir, nous avons d’abord dû essayer l’inattendu« . Depuis plusieurs années, lui et son équipe travaillent sur des sources de lumière miniatures basées sur l’effet tunnel. Entre deux électrodes (en or et en graphène dans ce cas) séparées par un matériau isolant, les électrons peuvent transpercer selon les règles de la mécanique quantique. Sous certaines conditions – si le processus de tunnel est inélastique, c’est-à-dire que l’énergie des électrons n’est pas conservée – la lumière peut être créée.

Cependant, le rendement de ces sources de lumière est plutôt faible car l’émission radiative est très inefficace. Ce problème d’émission est bien connu dans d’autres domaines technologiques.

Par exemple, dans les téléphones mobiles, les puces qui créent les micro-ondes nécessaires à la transmission ne mesurent que quelques millimètres. En revanche, les micro-ondes elles-mêmes ont une longueur d’onde d’environ 20 centimètres, ce qui les rend cent fois plus grandes que la puce. Pour surmonter cette différence de taille, une antenne est nécessaire. De même, dans les expériences des chercheurs zurichois, la longueur d’onde de la lumière est bien plus grande que la source de lumière.

Un semi-conducteur hors de la jonction tunnel

On pourrait penser que les chercheurs cherchaient délibérément une solution d’antenne, mais ce n’était pas le cas. Comme d’autres groupes avant eux, les chercheurs étudiaient des couches de matériaux semi-conducteurs tels que le disulfure de tungstène d’une épaisseur d’un seul atome intercalé entre les électrodes de la jonction tunnel afin de créer de la lumière de cette manière.

Au lieu de cela, les chercheurs ont essayé quelque chose de complètement différent en plaçant le semi-conducteur sur l’électrode en graphène, complètement hors de la jonction tunnel.

Applications dans les sources de lumière à l’échelle nanométrique

Contre toute attente, cette position apparemment illogique a très bien fonctionné. Les chercheurs ont découvert la raison en variant la tension appliquée à la jonction tunnel et en mesurant le courant qui la traversait. Ces mesures ont révélé une résonance claire qui correspondait à une résonance excitonique du matériau semi-conducteur.

Les excitons sont composés d’un trou chargé positivement, qui correspond à un électron manquant, et d’un électron lié par le trou. Ils peuvent être excités, par exemple, par irradiation lumineuse. La résonance excitonique était un signe clair que le semi-conducteur n’était pas excité directement par des porteurs de charge – après tout, il n’y avait pas d’électrons qui le traversaient – mais qu’il absorbait l’énergie créée dans la jonction tunnel et la ré-émettait ensuite. En d’autres termes, il agissait très bien comme une antenne.

En synthèse

Pour l’instant, cette antenne n’est pas très efficace car à l’intérieur du semi-conducteur sont créés des excitons dits sombres, ce qui signifie que peu de lumière est émise. Le Pr. Novotny admet que « l’amélioration de cette situation sera notre tâche pour un avenir proche« .

Si les chercheurs parviennent à rendre l’émission de lumière par le semi-conducteur plus efficace, il devrait être possible de créer des sources de lumière qui ne mesurent que quelques nanomètres et sont donc mille fois plus petites que la longueur d’onde de la lumière qu’elles produisent. Comme il n’y a pas d’électrons traversant l’antenne semi-conductrice, il n’y a pas non plus d’effets indésirables qui se produisent généralement aux limites et qui peuvent réduire l’efficacité.

« Dans tous les cas, nous avons ouvert la porte à de nouvelles applications« , conclut le Pr. Novotny.

Pour une meilleure compréhension

1. Qu’est-ce qu’une antenne de lumière sur puce ? Une antenne de lumière sur puce est un dispositif qui permet de générer et de moduler la lumière sur une échelle nanométrique. Elle est essentielle pour le transfert de données modernes.
2. Qu’est-ce que l’effet tunnel ? L’effet tunnel est un phénomène quantique qui permet aux particules de traverser une barrière d’énergie qui serait insurmontable selon les règles de la physique classique.
3. Comment les chercheurs ont-ils créé de la lumière ? Les chercheurs ont créé de la lumière en utilisant un semi-conducteur placé sur une électrode, en dehors de la jonction tunnel. Ce semi-conducteur a agi comme une antenne, absorbant l’énergie créée dans la jonction tunnel et la ré-émettant sous forme de lumière.
4. Quels sont les avantages de cette nouvelle méthode ? Cette méthode pourrait permettre la création de sources de lumière qui mesurent seulement quelques nanomètres, mille fois plus petites que la longueur d’onde de la lumière qu’elles produisent. Cela ouvre la porte à de nouvelles applications dans la miniaturisation des technologies d’émission de lumière.

Référence : Wang, L, Papadopoulos, S, Iyikanat, F, Zhang, J, Huang, J, Taniguchi, T, Watanabe, K, Calame, M, Perrin, ML, García de Abajo, FJ, Novotny, L. Exciton-assisted electron tunnelling in van der Waals heterostructures. Nat. Mater. (2023). external pagehttps://doi.org/10.1038/s41563-​023-01556-7call_made

Illustration principale / La physique en peinture acrylique : Impression d’artiste de l’expérience de l’ETH dans laquelle un matériau semi-conducteur (points orange/bleus) agit comme une antenne. (Image : Sotirios Papadopoulos / ETH Zurich)

Article adapté de son auteur Oliver Morsch