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La physique des semi-conducteurs n’a décidément pas fini de révéler ses secrets aux scientifiques. En bombardant un semi-conducteur particulier à l’aide d’un laser, des physiciens ont pour la première fois créé un liquide électronique aux propriétés singulières qui pourraient avoir de nombreuses répercussions dans le développement de futures technologies.

En bombardant un semi-conducteur ultra-mince avec de puissantes impulsions laser, des physiciens de l’Université de Californie ont créé le premier « liquide d’électrons » à température ambiante. Les résultats de l’expérience ont été publiés dans la revue Nature Photonics.

Cette réalisation ouvre la voie au développement des premiers dispositifs pratiques et efficaces permettant de générer et de détecter la lumière à des longueurs d’onde térahertz — entre lumière infrarouge et micro-ondes. De tels dispositifs pourraient être utilisés dans des applications aussi diverses que les communications dans l’espace, la détection du cancer et la recherche d’armes dissimulées.

La recherche pourrait également permettre d’explorer la physique fondamentale de la matière à des échelles infiniment petites et contribuer à l’inauguration d’une ère de métamatériaux quantiques, dont les structures sont conçues à la dimension atomique. Dans leurs expériences, les scientifiques ont construit une structure ultra-fine constituée de ditellurure de molybdène semi-conducteur entre des couches de graphène carboné. La structure en couches était juste légèrement plus épaisse que la largeur d’une seule molécule d’ADN.

Ils ont ensuite bombardé le matériau avec des impulsions laser ultra-rapides, mesurées en quadrillions de centièmes de seconde. « Normalement, avec des semi-conducteurs tels que le silicium, l’excitation laser crée des électrons et leurs trous chargés positivement diffusent et dérivent dans le matériau, ce qui permet de définir un gaz » explique Nathaniel Gabor, physicien et auteur de l’étude.

Cependant, dans leurs expériences, les chercheurs ont détecté des signes de condensation dans l’équivalent d’un liquide. Un tel liquide aurait des propriétés ressemblant aux liquides courants tels que l’eau, à la différence qu’il ne serait pas constitué de molécules, mais d’électrons et de trous dans le semi-conducteur.

formation liquide electrons

Illustration récapitulant la formation d’un liquide d’électrons-trous électroniques à partir d’excitons de gaz. Crédits : Trevor B. Arp et al. 2018

« Nous étions en train d’augmenter la quantité d’énergie déversée dans le système, et nous n’avons rien vu, rien, puis tout à coup, nous avons assisté à la formation de ce que nous avons appelé un ‘anneau de photocourant anormal’ dans le matériau » explique  Gabor. « Nous avons réalisé qu’il s’agissait d’un liquide, car il se développait comme une gouttelette, plutôt que de se comporter comme un gaz ».

« Ce qui nous a vraiment surpris, cependant, c’est que cela se soit passé à température ambiante. Auparavant, les chercheurs qui avaient créé de tels liquides à trous d’électron n’avaient pu le faire qu’à des températures plus froides que celles de l’espace lointain ».

Sur le même sujet : Les électrons se comportant « comme un liquide » dans le graphène sont supraconducteurs

Les propriétés électroniques de telles gouttelettes permettraient de développer des dispositifs optoélectroniques qui fonctionnent avec une efficacité sans précédent dans la région du térahertz du spectre. Les longueurs d’onde térahertz sont plus longues que les ondes infrarouges, mais plus courtes que les micro-ondes, et il existe un écart térahertz dans la technologie permettant d’utiliser ces ondes.

Les ondes térahertz pourraient être utilisées pour détecter les cancers de la peau et les caries dentaires en raison de leur pénétration limitée et de leur capacité à résoudre les différences de densité. De même, ces ondes pourraient être utilisées pour détecter des défauts dans des produits tels que des tablettes de médicaments, ou pour découvrir des armes dissimulées sous les vêtements.

Les émetteurs et les récepteurs térahertz pourraient également être utilisés pour des systèmes de communication plus rapides dans l’espace. De plus, le liquide des trous d’électrons pourrait constituer la base des ordinateurs quantiques, qui pourraient être beaucoup plus petits que les circuits à base de silicium actuellement utilisés, ajoute Gabor.

liquide trous electrons

Dans les dispositifs électroniques classiques, l’électricité nécessite le mouvement des électrons (sphères bleues) et de leurs contreparties positives, appelées trous (sphères rouges), qui se comportent de la même manière que les molécules de gaz dans notre atmosphère. Même s’ils se déplacent rapidement et entrent rarement en collision en phase gazeuse, les électrons et les trous peuvent se condenser en gouttelettes ressemblant à de l’eau liquide dans des dispositifs composés de matériaux ultra-fins. Crédits : QMO Lab/UC Riverside

Plus généralement, la technologie utilisée dans son laboratoire pourrait constituer la base de l’ingénierie des métamatériaux quantiques, avec des dimensions à l’échelle de l’atome qui permettent une manipulation précise des électrons, pour les amener à se comporter de nouvelles manières. Dans des études ultérieures sur les « nanoflaques » d’électrons, les scientifiques exploreront leurs propriétés liquides telle que la tension superficielle.

Gabor prévoit également d’utiliser cette technologie pour explorer des phénomènes physiques fondamentaux. Par exemple, le refroidissement du liquide des trous d’électrons à des températures ultra basses, pourrait le transformer en un fluide quantique aux propriétés physiques exotiques pouvant révéler de nouveaux principes fondamentaux de la matière.

Dans leurs expériences, les chercheurs ont utilisé deux technologies clés. Pour construire les structures ultra-minces de ditellurure de molybdène et de graphène de carbone, ils ont utilisé une technique appelée « estampage élastique ». Dans ce procédé, un film polymère collant est utilisé pour collecter et empiler des couches épaisses d’atomes de graphène et de semi-conducteur.

Et pour à la fois pomper de l’énergie dans le semi-conducteur et imager les effets, ils ont utilisé une microscopie à photoréponse dynamique multiparamètre, développée par Gabor et Arp. Dans cette technique, des faisceaux d’impulsions laser ultra-rapides sont manipulés pour balayer un échantillon afin de cartographier optiquement le courant généré.

Source : Nature Photonics

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