La physique quantique, avec ses principes parfois contre-intuitifs, continue de re pousser les frontières de la science et de la technologie. Une récente étude menée par une équipe de l’Université de Regensburg mène à une nouvelle compréhension et permet un contrôle des niveaux d’énergie électroniques, un pas de plus vers l’élaboration de technologies quantiques ultra-rapides.
La physique quantique nous enseigne que, contrairement aux objets de notre quotidien, les particules élémentaires comme les électrons ne peuvent adopter que des valeurs d’énergie quantifiées. Cette particularité est au cœur du fonctionnement des qubits et des ordinateurs quantiques, ainsi que des points quantiques émetteurs de lumière, récompensés par le Prix Nobel 2023.
Toutefois, les niveaux d’énergie électronique peuvent être modifiés par des collisions avec d’autres électrons ou atomes, un phénomène qui se déroule à une échelle atomique et à une vitesse stupéfiante.
Une percée grâce à un microscope ultra-rapide
Grâce à un type innovant de microscope ultra-rapide, l’équipe de Regensburg a réussi à observer directement et avec une résolution atomique comment l’énergie d’un seul électron est ajustée par les vibrations des atomes environnants, et ce, sur des échelles de temps ultra-rapides. L’observation remarquable leur a également permis de contrôler spécifiquement ce processus, ouvrant ainsi l’accès au développement de technologies quantiques à la vitesse inégalée.
Les physiciens ont utilisé un matériau d’une épaisseur atomique pour étudier comment un niveau d’énergie discret change lorsque cette couche atomique se déplace vers le haut et vers le bas, à la manière d’une membrane de tambour. Ils ont observé ce phénomène au niveau d’une lacune, c’est-à-dire le vide laissé par un atome manquant.
Les cristaux bidimensionnels, connus pour leurs propriétés électroniques versatiles et personnalisables, sont particulièrement intéressants pour la nanotechnologie future.
Surmonter les défis de l’observation à l’échelle atomique
Pour réaliser cette découverte, l’équipe a dû surmonter plusieurs obstacles. Une résolution atomique de 1 Ångström est nécessaire pour observer les niveaux d’énergie localisés et leur dynamique. De plus, les mouvements dans le nanomonde sont extrêmement rapides.
« Pour suivre comment un niveau d’énergie se déplace, il est nécessaire de prendre des instantanés stroboscopiques du niveau d’énergie, chaque instantané étant enregistré en moins d’un trillionième de seconde, plus rapide que les picosecondes », explique Carmen Roelcke, premier auteur de l’étude.
L’expertise combinée des groupes de Jascha Repp et Rupert Huber a créé la synergie décisive nécessaire pour cette spectroscopie ultra-rapide à l’échelle atomique. « Avec notre approche novatrice, nous sommes capables de déchiffrer le mouvement structurel de la membrane du tambour atomique et le déplacement du niveau d’énergie localisé au ralenti », résume Yaroslav Gerasimenko.
Les calculs de principes premiers réalisés par Maximilian Graml et Jan Wilhelm expliquent de manière concluante comment les atomes dans la couche atomiquement mince se déplacent pendant l’oscillation et comment cela peut influencer les niveaux d’énergie discrets.
Cette étude de l’équipe de Regensburg marque en fin de compte une nouvelle ère dans l’étude de la dynamique des niveaux d’énergie localisés à l’échelle atomique et de leur interaction avec l’environnement. Elle permet le contrôle local des niveaux d’énergie discrets de la manière la plus directe.
Par exemple, le mouvement d’atomes individuels pourrait changer la structure énergétique d’un matériau et ainsi créer de nouvelles fonctionnalités ou modifier spécifiquement les propriétés de semi-conducteurs émetteurs de lumière et de molécules. Basée sur une combinaison sans précédent de résolutions spatiale, temporelle et énergétique extrêmes, cette approche pourrait également aider à percer les secrets de processus clés derrière des transitions de phase comme la supraconductivité à haute température encore à comprendre.
Légende illustration : Un niveau d’énergie discret d’une vacance atomique dans un matériau atomiquement mince se déplace lors de l’excitation d’une vibration de type tambour. L’évolution temporelle du niveau d’énergie localisé est étroitement liée aux excursions atomiques dues au mode tambour. (Image : Brad Baxley)
Article : « Ultrafast atomic-scale scanning tunnelling spectroscopy of a single vacancy in a monolayer crystal » – DOI: s41566-024-01390-6
