Des recherches récentes menées par l’Australie ont fourni la première mesure mondiale des interactions entre les polarons de Fermi dans un semi-conducteur 2D atomiquement mince, en utilisant une spectroscopie ultrarapide capable de sonder des matériaux quantiques complexes.
Des chercheurs de l’Université de technologie de Swinburne ont découvert les signatures d’interactions entre excitons-polarons dans des expériences sur la monocouche semi-conductrice disulfure de tungstène 2D.
Les collaborateurs de FLEET de l’Université Monash et du RMIT ont développé un modèle théorique pour expliquer les signaux expérimentaux. Ils ont découvert que les interactions répulsives à longue distance sont médiées par un effet de remplissage de l’espace de stage, tandis que les interactions attractives à courte length conduisent à la formation d’un état exciton-exciton-électron lié de manière coopérative.
Le matériel
Le disulfure de tungstène (WS2) appartient à la famille des dichalcogénures de métaux de transition semi-conducteurs (TMDC). Lorsque le matériau en vrac est exfolié en une seule monocouche atomique (moins de 1 nanomètre d’épaisseur), la physique de ces matériaux 2D devient vraiment intéressante et contrôlable.
Une grande partie de la physique intrigante est décrite par la création et les interactions de quasiparticules*. Les excitons sont une de ces quasiparticules et ils dominent la réponse optique de la monocouche WS2. Les excitons se forment lorsque les électrons de la bande de valence sont excités dans la bande de conduction. La lacune laissée derrière (un trou) peut alors se lier à l’électron excité par les forces de Coulomb, formant l’exciton.
“Cette image devient moreover complexe lorsqu’il y a des électrons en excès dans la monocouche”, explique l’auteur principal Jack Muir. “Ces électrons” de réserve “peuvent se trouver dans les bandes de conduction et n’interagissent pas directement avec la lumière. L’exciton peut alors se lier à ces électrons en excès pour former des trions.”
Polarons de Fermi
Mais que se passe-t-il si la densité du dopage est augmentée ? Il n’y a furthermore un seul électron pour chaque exciton, mais cinq, dix, centaines… A ce stade, l’exciton peut être considéré comme un défaut dans une mer d’électrons. Les interactions entre un exciton et la mer de Fermi d’électrons conduisent à la development de nouvelles quasi-particules – les polarons.
Comme le souligne le professeur Monash Meera Parish, “Avoir un défaut dans une mer de Fermi est un problème universel au-delà des semi-conducteurs 2D. Les quasiparticules de polaron jouent un rôle significant dans une gamme de systèmes, y compris les gaz atomiques froids et même la croûte interne des étoiles à neutrons.”
L’expérience
La spectroscopie cohérente multidimensionnelle (MDCS) utilise quatre impulsions laser ultrarapides contrôlées avec précision pour révéler et quantifier les interactions.
“La plupart des approaches spectroscopiques, comme la photoluminescence, sont incapables de séparer les interactions de la réponse d’une seule particule. MDCS est optimisé pour faire exactement cela”, explique l’auteur correspondant, le professeur Jeffrey Davis.
Faire varier la polarisation des différentes impulsions a révélé une observation intéressante : il n’y a d’interactions entre polarons de Fermi que lorsqu’ils sont couplés à la même mer de Fermi.
“C’était passionnant, rien de tel n’avait été vu auparavant dans ces systèmes et la physique derrière tout cela était nouvelle”, déclare Jack.
Remplissage de l’espace des phases
Le mécanisme de ces interactions a été identifié comme provenant d’un effet de « remplissage de l’espace des phases » :
Lorsqu’un électron de la mer de Fermi interagit avec un exciton dans le cadre d’un polaron, il est incapable de participer à la formation d’un autre polaron. Il en résulte une force répulsive entre les polarons, et explique l’interaction sélective que l’on notice avec l’expérience.
Des interactions attractives entre polarons, conduisant à la development de bipolarons ont également été identifiées. On pense que l’énergie de liaison remarquablement grande de ces bipolarons est one of a kind aux TMDC à base de tungstène et résulte de l’ordre de bande spécifique dans WS2.
L’identification des interactions répulsives et attractives, et des mécanismes sous-jacents, est une étape importante pour bien comprendre les polarons de Fermi et les interactions quasi-particules in addition largement. Avec cette entrée, nous nous rapprochons de la découverte de la riche physique des matériaux complexes et du contrôle de leurs remarquables propriétés macroscopiques.
Bipolaron fortement lié
Les interactions entre les polarons de Fermi dans la monocouche WS2 ont été publiées dans Mother nature Communications en octobre 2022 (DOI 10.1038/s41467-022-33811-x). Les travaux ont été financés par l’Australian Analysis Council Centre of Excellence in Future Low-Strength Electronics Systems (FLEET).