Les électrons sont en retard sur le noyau
Effet intéressant dans les matériaux semblables au graphène
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Des chercheurs de l'ETH Zurich ont montré, pour la première fois avec une très haute résolution temporelle et spatiale, que les électrons dans certains matériaux bidimensionnels ne suivent le mouvement des noyaux atomiques qu'avec un certain retard. Cette découverte pourrait conduire au développement de nouveaux dispositifs électroniques à l'avenir.
L'une des grandes réussites de la physique du XXe siècle a été la description de la mécanique quantique des solides. Elle a permis aux scientifiques de comprendre pour la première fois comment et pourquoi certains matériaux conduisent le courant électrique et comment ces propriétés peuvent être modifiées à dessein. Par exemple, les semi-conducteurs tels que le silicium ont pu être utilisés pour produire des transistors, ce qui a révolutionné l'électronique et rendu possible les ordinateurs modernes.
Pour pouvoir saisir mathématiquement l'interaction complexe entre les électrons et les noyaux atomiques et leurs mouvements dans un solide, les physiciens ont dû faire quelques simplifications. Ils ont supposé, par exemple, que les électrons légers d'un atome suivaient sans délai le mouvement des noyaux atomiques beaucoup plus lourds dans un réseau cristallin. Pendant plusieurs décennies, cette approximation de Born-Oppenheimer a bien fonctionné.
L'approximation échoue dans certains matériaux
Cependant, des chercheurs de l'ETH Zurich et de l'Institut Max Planck pour la structure et la dynamique de la matière à Hambourg ont montré que les électrons de certains matériaux réagissent avec un certain retard. De plus, ce retard dépend de l'endroit où les électrons sont localisés et de l'état énergétique qu'ils occupent.
En utilisant des expériences avec une résolution de l'ordre de l'attoseconde et des calculs théoriques, Ursula Keller et Lukas Gallmann du département de physique de l'ETH ont pu prouver que les électrons dans les matériaux plats en couches, appelés MXènes, réagissent au mouvement des noyaux atomiques avec un retard appréciable. Les chercheurs ont récemment publié leurs résultats dans la revue scientifique Science. Ces résultats pourraient contribuer à la mise au point de nouveaux dispositifs optoélectroniques à l'avenir.
Effet intéressant dans les matériaux de type graphène
La spectroscopie attoseconde est utilisée par les scientifiques pour étudier des événements physiques avec une résolution temporelle inimaginable de l'ordre du milliardième de milliardième de seconde (10-18 seconde). Au cours des trente dernières années, les chercheurs de l'ETH ont effectué un travail de pionnier dans ce domaine. "Les phonons, ou vibrations du réseau, n'ont pas été notre principal intérêt car ils sont relativement lents", explique Sergej Neb, postdoc dans le groupe de Keller et premier auteur de l'article. C'est en étudiant les phonons dans les MXènes que ses collègues et lui ont découvert un retard inattendu dans le mouvement des électrons.
Les MXènes sont des matériaux bidimensionnels similaires au graphène. Le MXène étudié par les chercheurs de l'ETH est constitué de plusieurs couches dans lesquelles des atomes de titane, de carbone et d'oxygène se lient pour former un réseau. Le matériau a été produit par des collègues du département de génie mécanique et de génie des procédés.
Mais comment étudier les vibrations du réseau à l'intérieur d'un tel matériau ? Les physiciens ont réussi à exciter les vibrations du réseau dans le MXène à l'aide d'une courte impulsion laser infrarouge. Ils ont ensuite irradié le matériau avec une impulsion laser attoseconde dans l'ultraviolet extrême et ont mesuré la quantité de lumière laser qui traversait le matériau.
En fonction de la longueur d'onde des impulsions, les électrons du matériau peuvent être excités pour absorber des photons ultraviolets et atteindre ainsi des niveaux d'énergie plus élevés. Enfin, les chercheurs ont répété l'expérience sans exciter initialement les vibrations du réseau. La différence entre les deux résultats leur a permis de déduire le mouvement des électrons et des noyaux atomiques.
Les électrons à la traîne
En particulier, en faisant varier l'intervalle de temps entre les deux impulsions laser de quelques femtosecondes (10-15 seconde, soit la millionième partie d'un milliardième de seconde) à quelques picosecondes (10-12 seconde, soit la millième partie d'un milliardième de seconde), les physiciens ont pu déterminer très précisément le retard avec lequel les électrons réagissaient à l'excitation soudaine des vibrations du réseau.
"Dans l'approximation standard de Born-Oppenheimer, on ne s'attend évidemment à aucun retard", explique Neb, "mais nous avons remarqué que les électrons avaient jusqu'à trente femtosecondes de retard sur les noyaux atomiques - dans le monde de l'attoseconde, c'est très long".
Enfin, les chercheurs de l'ETH ont comparé leurs données aux résultats d'un modèle mathématique développé par leurs collègues de Hambourg. Ils en ont déduit que les vibrations des noyaux atomiques influencent la distribution spatiale des électrons, ce qui modifie le champ électromagnétique à proximité des atomes dans le réseau. Les interactions entre les électrons jouent également un rôle important.
Mais ce n'est pas tout : à partir des données, Neb et ses collègues ont même pu voir comment se comportaient les électrons à proximité des différents atomes du MXène. "Une telle vision de la dynamique entre les électrons et les phonons au niveau des atomes individuels - et même en fonction de leur état, des liaisons et de leur énergie - n'était pas possible jusqu'à présent. Cette résolution détaillée n'a été rendue possible que par notre technologie attoseconde", explique M. Neb.
Les chercheurs espèrent que leurs nouvelles connaissances sur l'interaction entre les électrons et les vibrations du réseau conduiront à des modèles mathématiques plus précis, au-delà des approximations habituelles. Des applications pratiques sont également envisageables. "Notre méthode nous permet de mesurer la force de couplage entre les électrons et les vibrations du réseau. À partir de là, nous pouvons prédire dans quelles conditions certains électrons contribuent plus ou moins fortement à la conduction de la chaleur", ajoute M. Neb.
Une meilleure compréhension du transport de l'énergie et des charges permet de mieux contrôler les matériaux et, par conséquent, d'ouvrir de nouvelles perspectives pour les dispositifs optoélectroniques à l'échelle nanométrique. En même temps, les connaissances microscopiques sur la conduction de la chaleur au niveau atomique constituent un point de départ pour le développement de composants électroniques encore plus petits et plus efficaces.
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.
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