Les dispositifs 2D comportent des cavités cachées qui peuvent modifier le comportement électronique

 Ellen Neff

Dans les bonnes combinaisons et conditions, les matériaux bidimensionnels peuvent accueillir des phases quantiques intrigantes et potentiellement précieuses, telles que la supraconductivité et des formes uniques de magnétisme. Les raisons de leur apparition et les moyens de les contrôler suscitent un intérêt considérable chez les physiciens et les ingénieurs. Une étude publiée dans Nature Physics révèle une caractéristique jusqu’alors inconnue qui pourrait expliquer comment et pourquoi ces phases quantiques énigmatiques apparaissent.

À l’aide d’une nouvelle technique de spectroscopie térahertz (THz), les chercheurs ont révélé que de minuscules empilements de matériaux 2D, que l’on trouve dans les laboratoires de recherche du monde entier, peuvent naturellement former ce que l’on appelle des cavités. Ces cavités confinent la lumière et les électrons dans des espaces encore plus petits, ce qui peut modifier leur comportement de manière radicale.

« Nous avons découvert une couche cachée de contrôle dans les matériaux quantiques et ouvert la voie à la mise en forme des interactions lumière-matière d’une manière qui pourrait nous aider à comprendre les phases exotiques de la matière et, à terme, à les exploiter pour les technologies quantiques futures », a déclaré James McIver, professeur adjoint de physique à Columbia et auteur principal de l’article.

Cette découverte a vu le jour à Hambourg, lorsque M. McIver était chef de groupe à l’Institut Max Planck pour la structure et la dynamique de la matière (MPSD), l’une des institutions qui composent le Centre Max Planck-New York sur les phénomènes quantiques hors équilibre. Les chercheurs du Centre, qui comprend également Columbia, l’Institut Flatiron et l’Université Cornell, s’intéressent à ce qui se passe lorsque des systèmes stables sont déséquilibrés.

Le laboratoire McIver s’intéresse à la lumière. « Les matériaux 2D, avec leurs propriétés macroscopiques fascinantes, se comportent souvent comme des boîtes noires. En les éclairant, nous pouvons littéralement mettre en lumière le comportement caché de leurs électrons, révélant ainsi des détails qui resteraient autrement invisibles », indique Gunda Kipp, doctorante au MPSD travaillant avec le groupe McIver et première auteure de la publication. Le défi réside dans le fait que les longueurs d’onde de la lumière nécessaires pour sonder les matériaux 2D sont beaucoup plus grandes que les matériaux eux-mêmes, qui sont généralement plus petits qu’un cheveu humain.

Pour remédier à cette incompatibilité de taille, l’équipe a considérablement réduit l’échelle à l’aide d’un spectroscope de la taille d’une puce qui confine la lumière THz (la gamme dans laquelle on pense que se produisent des phénomènes quantiques énigmatiques) de 1 mm à seulement 3 micromètres. Cela permet à l’équipe de visualiser le comportement des électrons dans les systèmes 2D. Ils ont commencé par mener des expériences sur le graphène afin de tester la capacité du spectroscope à mesurer la conductivité optique d’un matériau bien étudié.

Ils ont observé des ondes stationnaires inattendues.

« La lumière peut se coupler aux électrons pour former des quasi-particules hybrides lumière-matière. Ces quasi-particules se déplacent sous forme d’ondes et, dans certaines conditions, elles peuvent devenir confinées, un peu comme l’onde stationnaire sur une corde de guitare qui produit une note distincte », explique Hope Bretscher, post-doctorante au MPSD et co-auteure principale.

Dans le cas de la guitare, les extrémités fixes de la corde définissent les limites de l’onde stationnaire ; en plaçant vos doigts sur les cordes, vous raccourcissez la longueur d’onde à laquelle une corde peut vibrer, ce qui modifie la note produite. En optique, un effet similaire peut être obtenu avec deux miroirs, qui piègent la lumière entre eux et créent une onde stationnaire confinée à l’intérieur de ce qu’on appelle une cavité. Lorsqu’un matériau est placé entre les miroirs, la lumière réfléchie d’avant en arrière interagit avec lui, ce qui peut modifier ses propriétés.

Mais les miroirs peuvent être facultatifs.

« Nous avons découvert que les bords du matériau agissent déjà comme des miroirs », dit M. Kipp. À l’aide de leur spectroscope THz, ils ont observé que les flux d’électrons excités se reflètent sur les bords pour former un type de quasi-particule hybride lumière-matière appelée polariton plasmonique.

Le laboratoire McIver a étudié un dispositif composé de plusieurs couches, chacune pouvant agir comme une cavité séparée par quelques dizaines de nanomètres. Les plasmons qui se forment dans chaque couche peuvent à leur tour interagir, souvent de manière intense. « C’est comme relier deux cordes de guitare : une fois reliées, la note change », observe M. Bretscher. « Dans notre cas, elle change radicalement. »

La question suivante est de savoir ce qui détermine exactement les fréquences des quasi-particules vibrantes et l’intensité de l’interaction entre la lumière et la matière. « Avec le coauteur et post-doctorant du MPSD Marios Michael, nous avons développé une théorie analytique qui ne nécessite qu’une poignée de paramètres géométriques d’échantillons pour correspondre aux observations de nos expériences », explique M. Kipp. « D’un simple clic, notre théorie permet d’extraire les propriétés d’un matériau et nous aidera à concevoir et à adapter de futurs échantillons afin d’obtenir des propriétés spécifiques. Par exemple, en suivant les résonances en fonction de la densité des porteurs, de la température ou du champ magnétique, nous pourrions découvrir les mécanismes à l’origine des différentes phases quantiques. »

Alors que les travaux publiés portaient sur les plasmons, le nouveau spectroscope THz à l’échelle d’une puce devrait permettre d’observer d’autres types de quasi-particules oscillant dans une grande variété de matériaux 2D. L’équipe est déjà à l’œuvre pour mesurer de nouveaux échantillons à Hambourg et à New York.

« Ce projet tout entier a été une découverte quelque peu fortuite. Nous ne nous attendions pas à observer ces effets de cavité, mais nous sommes ravis de pouvoir les utiliser pour manipuler les phénomènes dans les matériaux quantiques à l’avenir », a conclu M. Bretscher. « Et maintenant que nous disposons d’une technique pour les observer, nous sommes impatients de découvrir comment ils pourraient affecter d’autres matériaux et phases. »

Article : « Cavity electrodynamics of van der Waals heterostructures » – DOI : 10.1038/s41567-025-03064-8

Source : Columbia U.