Des chercheurs de l’université Rice qui étudient une catégorie de semi-conducteurs de l’épaisseur d’un atome, appelés dichalcogénures de métaux de transition (TMD), ont découvert que la lumière peut déclencher un changement physique dans leur réseau atomique, créant ainsi un moyen modulable d’ajuster le comportement et les propriétés de ces matériaux.
Cet effet, observé dans un sous-type de TMD nommé d’après Janus, le dieu romain à deux visages symbolisant les transitions, pourrait faire progresser les technologies qui utilisent la lumière plutôt que l’électricité, des puces informatiques plus rapides et plus froides aux capteurs ultrasensibles et aux dispositifs optoélectroniques flexibles.
« En optique non linéaire, la lumière peut être remodelée pour créer de nouvelles couleurs, des impulsions plus rapides ou des commutateurs optiques qui activent et désactivent les signaux », indique Kunyan Zhang, ancienne doctorante de Rice et première auteure d’une étude documentant cet effet. « Les matériaux bidimensionnels, qui ne font que quelques atomes d’épaisseur, permettent de construire ces outils optiques à très petite échelle. »
Les TMD sont des cristaux stratifiés composés d’un métal de transition tel que le molybdène et de deux couches d’un élément chalcogène comme le soufre ou le sélénium. Leur combinaison de conductivité électrique, d’absorption de la lumière et de flexibilité mécanique en a fait l’une des classes de matériaux les plus polyvalentes pour l’électronique et l’optoélectronique de nouvelle génération.
Au sein de cette famille, les matériaux Janus se distinguent par leur asymétrie, une idée qui se reflète dans leur nom. Comme leur homonyme mythologique, ces matériaux ont deux faces différentes : les atomes supérieurs et inférieurs sont constitués d’espèces chimiques différentes, créant un déséquilibre interne qui confère au cristal une polarité électrique intégrée, le rendant particulièrement sensible à la lumière et aux forces externes.
« Nos travaux explorent comment la structure des matériaux Janus affecte leur comportement optique et comment la lumière elle-même peut générer une force dans les matériaux », explique M. Zhang.
À l’aide de lumière laser de différentes couleurs, l’équipe a étudié comment un matériau Janus TMD à deux couches (séléniure de molybdène et soufre empilé sur du disulfure de molybdène) convertit la lumière grâce à un processus appelé génération de seconde harmonique (SHG), dans lequel le matériau émet de la lumière à une fréquence deux fois supérieure à celle du faisceau entrant. Ils ont découvert que lorsque la lumière incidente correspondait aux résonances naturelles du matériau, le motif lumineux à fréquence doublée se déformait, indiquant que les atomes à l’intérieur étaient déplacés.
« Nous avons découvert que le fait d’éclairer le séléniure de molybdène et de soufre Janus et le disulfure de molybdène crée de minuscules forces directionnelles à l’intérieur du matériau, qui se traduisent par des changements dans son motif SHG », a ajouté M. Zhang. « Normalement, le signal SHG forme une « fleur » à six branches qui reflète la symétrie du cristal. Mais lorsque la lumière exerce une pression sur les atomes, cette symétrie se rompt et les pétales du motif rétrécissent de manière inégale. »
L’équipe a attribué cette distorsion à l’optostriction, un processus dans lequel le champ électromagnétique de la lumière exerce lui-même une pression mécanique sur les atomes. Dans les matériaux Janus, cette pression est amplifiée par un couplage puissant entre les couches atomiques, ce qui permet même à des forces infimes de produire une déformation mesurable.
« Les matériaux Janus sont idéaux pour cela, car leur composition inégale crée un couplage renforcé entre les couches, ce qui les rend plus sensibles aux forces infimes de la lumière. Ces forces sont si faibles qu’il est difficile de les mesurer directement, mais nous pouvons les détecter grâce aux changements dans le motif du signal SHG », indique la chercheuse.
Cette sensibilité pourrait rendre ces matériaux utiles bien au-delà du laboratoire. Les composants qui commutent ou acheminent la lumière en utilisant ce principe pourraient rendre les puces optiques plus rapides et beaucoup plus efficaces sur le plan énergétique, car les circuits optiques génèrent moins de chaleur que les composants électroniques classiques. La même réactivité pourrait être exploitée pour créer des capteurs précis capables de détecter les plus petites vibrations ou variations de pression, ou des sources lumineuses accordables pour des écrans et des outils d’imagerie avancés.
« Un tel contrôle actif pourrait aider à concevoir des puces photoniques de nouvelle génération, des détecteurs ultrasensibles ou des sources de lumière quantique, c’est-à-dire des technologies qui utilisent la lumière pour transporter et traiter des informations au lieu de recourir à l’électricité », a conclu Shengxi Huang, professeur agrégé en génie électrique et informatique, en science des matériaux et en nano-ingénierie à Rice, et coauteur de l’étude.
En montrant comment le déséquilibre inhérent aux TMD Janus ouvre de nouvelles voies pour diriger le flux lumineux, l’étude souligne comment de petites caractéristiques structurelles peuvent libérer un potentiel technologique considérable.
Article : « Optomechanical Tuning of Second Harmonic Generation Anisotropy in Janus MoSSe/MoS2 Heterostructures » – DOI : 10.1021/acsnano.5c10861
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