Une découverte surprenante dans l’interaction entre les électrons et les phonons

Une découverte récente dans le domaine de la physique des particules, a jeté une nouvelle lumière sur la façon dont les électrons et les phonons interagissent dans certaines matières. Cette avancée, réalisée par une collaboration internationale dirigée par l’Université de technologie d’Eindhoven (TU/e) et l’Institut catalan de nanoscience et de nanotechnologie, pourrait avoir des implications significatives pour les futurs dispositifs optoélectroniques.

Les électrons sont bien connus comme les porteurs de charge et d’énergie associés à l’électricité, tandis qu’un phonon est lié à l’émergence de vibrations entre les atomes dans un cristal atomique. Leur interaction toutefois dans certains matériaux et comment ils affectent la perte d’énergie chez les électrons a été un mystère pendant un certain temps.

Twistronics : Percée de l’année 2018

Le professeur associé Klaas-Jan Tielrooij et ses collaborateurs ont décidé d’étudier les interactions électron-phonon dans un cas très particulier – à l’intérieur de deux couches de graphène où les couches sont légèrement désalignées.

Le graphène est une couche bidimensionnelle d’atomes de carbone disposés en un réseau hexagonal qui a plusieurs propriétés impressionnantes telles qu’une haute conductivité électrique, une grande flexibilité, et une haute conductivité thermique, et il est également presque transparent.

En 2018, le prix de la percée de l’année en physique a été décerné à Pablo Jarillo-Herrero et ses collègues du MIT pour leur travail pionnier sur la twistronics, où les couches adjacentes de graphène sont légèrement tournées l’une par rapport à l’autre pour changer les propriétés électroniques du graphène.

Comment les électrons perdent de l’énergie

Pour leur étude, Tielrooij et l’équipe ont voulu en savoir plus sur la façon dont les électrons perdent de l’énergie dans le graphène bicouche tordu à l’angle magique, ou MATBG en abrégé. Pour ce faire, ils ont utilisé un matériau composé de deux feuilles de graphène monocouche (chacune de 0,3 nanomètres d’épaisseur), placées l’une sur l’autre, et désalignées l’une par rapport à l’autre d’environ un degré.

En utilisant deux techniques de mesure optoélectronique, les chercheurs ont pu sonder les interactions électron-phonon en détail, et ils ont fait des découvertes stupéfiantes. « Nous avons observé que l’énergie disparaît très rapidement dans le MATBG – cela se produit à l’échelle de la picoseconde, qui est un millionième de millionième de seconde ! » dit pour sa part Klaas-Jan Tielrooij.

Pourquoi les électrons perdent de l’énergie

Alors, pourquoi les électrons perdent-ils de l’énergie si rapidement par interaction avec les phonons ? Eh bien, il s’avère que les chercheurs ont découvert un tout nouveau processus physique.

« La forte interaction électron-phonon est un processus physique complètement nouveau et implique ce qu’on appelle la diffusion Umklapp électron-phonon », ajoute Hiroaki Ishizuka de l’Institut de technologie de Tokyo au Japon, qui a développé la compréhension théorique de ce processus avec Leonid Levitov du Massachusetts Institute of Technology aux États-Unis.

En synthèse

La découverte de cette nouvelle interaction entre les électrons et les phonons ouvre la voie à de nouvelles recherches et à de nouvelles applications potentielles dans le domaine des dispositifs optoélectroniques.

Pour une meilleure compréhension

Qu’est-ce qu’un électron ?

Un électron est une particule subatomique qui porte une charge négative et qui est associée à l’électricité.

Qu’est-ce qu’un phonon ?

Un phonon est une particule quantique de vibration ou d’onde sonore qui joue un rôle clé dans de nombreux phénomènes physiques.

Qu’est-ce que le graphène ?

Le graphène est une couche bidimensionnelle d’atomes de carbone disposés en un réseau hexagonal. Il a plusieurs propriétés impressionnantes, comme une haute conductivité électrique et une grande flexibilité.

Qu’est-ce que la twistronics ?

La twistronics est une nouvelle branche de la physique qui étudie comment les propriétés électroniques de certains matériaux, comme le graphène, peuvent être modifiées en tournant légèrement leurs couches l’une par rapport à l’autre.

Qu’est-ce que la diffusion Umklapp ?

La diffusion Umklapp est un processus qui affecte souvent le transfert de chaleur dans les matériaux, car il permet de transférer relativement de grandes quantités de moment entre les phonons.

Références

Une collaboration menée par la TU/e et l’Institut catalan de nanoscience et de nanotechnologie, à laquelle participent des chercheurs du monde entier, a trouvé la réponse, et le pourquoi, et les résultats viennent d’être publiés dans la revue Science Advances.

Ultrafast Umklapp-assisted electron-phonon cooling in magic-angle twisted bilayer graphene, Mehew et al., Science Advances, (2024).