Aimants lumineux : des quasiparticules découvertes à la surface d'aimants semi-conducteurs
Alexey Chernikov et son équipe sont spécialisés dans la détection de quasiparticules optiques à l'aide de la microscopie ultrarapide. Avec des collègues internationaux, ils ont récemment visualisé un phénomène quantique totalement nouveau : des quasiparticules lumineuses - appelées excitons - apparaissant à la surface d'un aimant semi-conducteur. Jusqu'à présent, on pensait qu'elles ne pouvaient exister qu'à l'intérieur de ces matériaux. L'équipe a fait cette découverte en étudiant des couches cristallines ultrafines - de quelques atomes d'épaisseur chacune - du bromure de sulfure de chrome (CrSBr), un semi-conducteur quantique antiferromagnétique. Leurs résultats ont été publiés dans la revue Nature Materials.
Aimants lumineux
think-design | Jochen Thamm
Quasiparticules dans les aimants semi-conducteurs
Les matériaux quantiques étudiés par Alexey Chernikov - professeur de microscopie ultrarapide et de photonique du pôle d'excellence ct.qmat des universités de Würzburg et de Dresde - et son équipe n'ont souvent que quelques couches atomiques d'épaisseur. Leurs recherches se concentrent sur l'exploration des quasiparticules lumineuses. Ces quasiparticules se forment lorsqu'une impulsion lumineuse excite un électron, laissant derrière elle un trou chargé positivement. L'électron et le trou se lient par attraction électrostatique, se comportant comme une nouvelle entité indépendante semblable à une particule. Ces excitons jouent un rôle crucial dans l'absorption et l'émission de lumière, ainsi que dans la transmission d'énergie et d'informations quantiques. Les scientifiques étudient également leur potentiel de stockage de la lumière.
Les excitons se trouvent généralement dans des matériaux non magnétiques, car la plupart des aimants sont métalliques et ne peuvent pas former d'excitons stables. Mais le bromure de sulfure de chrome (CrSBr) - un semi-conducteur quantique antiferromagnétique - défie cette règle. Ce matériau unique combine l'ordre magnétique avec des propriétés semi-conductrices. De plus, ses couches cristallines ne sont que faiblement maintenues ensemble par des forces de van der Waals, ce qui permet de les obtenir sous forme de films ultraminces de quelques atomes d'épaisseur seulement. À basse température, les moments magnétiques - appelés spins - des couches adjacentes s'alignent dans des directions opposées. La structure des excitons luminescents dépend de cet ordre magnétique, ce qui signifie que les scientifiques peuvent manipuler avec précision l'absorption et l'émission de lumière à l'aide de champs magnétiques.
Capturer les excitons
Pour visualiser ces quasiparticules, l'équipe de Chernikov utilise des méthodes optiques avancées qui lui permettent de détecter les excitons dans des couches atomiques individuelles d'une épaisseur inférieure à un nanomètre. Pour mémoire, un nanomètre correspond à un millionième de millimètre, soit à peine plus que la distance entre deux atomes.
"En laboratoire, nous n'avons pas seulement observé des excitons à l'intérieur du matériau, mais aussi à la surface", explique le professeur Chernikov, qui travaille à la succursale de ct.qmat à Dresde. "Il s'agit d'une étape cruciale dans la compréhension de ces structures quantiques fascinantes et inhabituelles. Les excitons de surface réfléchissent et émettent de la lumière dans une couleur légèrement différente de ceux qui se trouvent à l'intérieur du matériau, ce qui nous a permis de les voir". L'idée de rechercher les excitons de surface est née de conversations entre l'équipe de recherche et un collègue de l'université de Regensburg qui participe à ce projet, se souvient-il. "Nous avons examiné le matériau en même temps à Dresde et à New York, en utilisant des préparations d'échantillons et des équipements de mesure différents. Pourtant, nous avons obtenu les mêmes résultats, ce qui témoigne de leur grande reproductibilité. J'en suis très heureux !"
Lueur de surface
Les excitons sont créés lorsque des photons frappent un semi-conducteur. Ces quasi-particules absorbent la lumière, stockent son énergie et peuvent traverser la couche de matériau. Lorsqu'elles se dissolvent, elles libèrent l'énergie stockée sous forme de lumière.
"Les excitons jouent un rôle essentiel dans le comportement optique des nanomatériaux", souligne le Dr Florian Dirnberger, qui a participé à la découverte récemment publiée en tant que chef de projet à Dresde et qui dirige aujourd'hui un groupe de recherche indépendant Emmy Noether à l'université technique de Munich.
Les excitons sont connus depuis plusieurs décennies", poursuit M. Dirnberger, "mais ce n'est qu'au cours des quatre dernières années que les physiciens des matériaux ont réellement commencé à explorer leur potentiel lorsque des excitons sont délibérément créés dans des cristaux magnétiques". En plus de stocker et de transporter de l'énergie, ils peuvent transporter et libérer des informations par le biais de la lumière". Et il ajoute : "Bien que la recherche sur ces quasiparticules exotiques n'en soit qu'à ses débuts, elles pourraient éventuellement jeter les bases de nouvelles technologies combinant la photonique et le magnétisme. Nos résultats constituent une contribution importante dans ce domaine".
Un succès international
Cette recherche est le fruit d'une collaboration internationale entre des scientifiques des États-Unis, d'Allemagne, du Royaume-Uni, des Pays-Bas et de la République tchèque. En combinant une synthèse avancée des matériaux, une spectroscopie très sensible et une théorie complexe des corps multiples, l'équipe a exploré la structure des quasiparticules lumineuses dans de nouveaux aimants semi-conducteurs. Ces résultats sont importants non seulement pour approfondir notre compréhension des matériaux magnétiques, mais aussi pour stimuler les innovations technologiques futures dans ce domaine émergent.
Note: Cet article a été traduit à l'aide d'un système informatique sans intervention humaine. LUMITOS propose ces traductions automatiques pour présenter un plus large éventail d'actualités. Comme cet article a été traduit avec traduction automatique, il est possible qu'il contienne des erreurs de vocabulaire, de syntaxe ou de grammaire. L'article original dans Anglais peut être trouvé ici.
Publication originale
Magnetically confined surface and bulk excitons in a layered antiferromagnet, Y. Shao, F. Dirnberger, S. Qiu, S. Acharya, S. Terres, E. J. Telford, D. Pashov, B. S. Y. Kim, F. L. Ruta, D. G. Chica, A. H. Dismukes, M. E. Ziebel, Y. Wang, J. Choe, Y. J. Bae, A. J. Millis, M. I. Katsnelson, K. Mosina, Z. Sofer, R. Huber, X. Zhu, X. Roy, M. van Schilfgaarde, A. Chernikov, and D. N. Basov, Nat Mater. 24, 391–398 (2025).
Autres actualités du département science
