Quand les défauts des matériaux se transforment en vecteurs d'énergie
Des chercheurs de Kiel découvrent un nouveau mécanisme de transport d'énergie dans les matériaux d'épaisseur atomique
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Les défauts atomiques sont inévitables : aucun matériau n'est totalement exempt de défauts. Ce qui a longtemps été considéré avant tout comme une faiblesse pourrait toutefois aussi constituer un atout. Des chercheurs de l'université Christian-Albrechts de Kiel (CAU) ont désormais démontré que ces défauts peuvent non seulement absorber de l'énergie, mais aussi la transmettre de manière ciblée. Une équipe dirigée par Nahid Talebi, professeure de nano-optique à la CAU, a récemment publié une étude à ce sujet dans la revue spécialisée ACS Nano.
Les défauts forment un réseau
Le fonctionnement du transport d’énergie s’illustre par l’interaction entre deux matériaux dont l’épaisseur ne dépasse pas quelques couches atomiques : une pérovskite, capable d’absorber de l’énergie, et du nitrure de bore hexagonal. Cette dernière classe de matériaux est constituée d’atomes de bore et d’azote, qui sont normalement disposés de manière régulière. Certains endroits s’écartent toutefois de cette structure. Ces défauts atomiques peuvent absorber l’énergie de la pérovskite et la transmettre à d’autres défauts. L’énergie présente dans la pérovskite se trouve d’abord dans un état excité, que les physiciens appellent « exciton ». L’équipe part du principe que l’énergie passe de ces états aux défauts présents dans le nitrure de bore.
La distance sur laquelle l’énergie peut se propager à travers ce réseau de défauts est inhabituelle : l’équipe a pu détecter le signal jusqu’à une distance de 150 micromètres de l’emplacement initial de l’excitation. Cela correspond approximativement à la largeur d’un cheveu humain. La longueur de transport d’énergie mesurée s’élevait à environ 142 micromètres.
D’après les expériences, les approches conventionnelles telles que le mouvement des excitons seul ou un guide d’onde optique ne suffisent pas à expliquer cette distance. Les chercheurs attribuent principalement le transport d’énergie observé aux interactions entre les défauts et à l’absorption et à l’émission répétées de lumière au sein du réseau de défauts.
Une méthode de mesure spécifique par cathodoluminescence, mise au point par l’équipe de nano-optique de Kiel, a joué un rôle décisif dans cette découverte. Les chercheurs ont excité le matériau à l’aide d’un faisceau d’électrons et ont capté la lumière ainsi générée à l’aide d’une fibre optique. Le faisceau d’électrons restait toujours au même endroit, tandis qu’ils éloignaient progressivement la fibre de celui-ci. Parallèlement, ils observaient ce qui se passait au microscope électronique et constataient que le signal lumineux était toujours présent, même à une grande distance du point d’excitation.
De nouvelles perspectives pour les technologies optiques et quantiques
« De nombreux matériaux quantiques doivent normalement être refroidis pour que nous puissions observer leurs propriétés. Or, notre effet se produit à température ambiante. Cela le rend particulièrement intéressant à étudier plus en détail », explique Talebi, membre du pôle de recherche KiNSIS – Kiel Nano, Surface and Interface Science. Au sein de ce pôle, les scientifiques étudient notamment les matériaux à l’échelle nanométrique et les interfaces en vue d’applications dans le domaine de la technologie quantique. L’équipe voit également un potentiel pour de nouveaux composants dans lesquels l’énergie ou les informations sont transportées par excitation lumineuse.
Dans un premier temps, les chercheurs souhaitent déterminer comment contrôler de manière ciblée l’échange d’énergie dans le matériau étudié. Talebi espère que cela fera progresser le développement des matériaux quantiques hybrides. L’article en présente tout d’abord les fondements physiques et cite, à titre d’exemples d’applications possibles, les transducteurs quantiques, qui transmettent des informations quantiques entre différents systèmes, ainsi que les connexions optoélectroniques pour la transmission rapide de données.
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 Allemand peut être trouvé ici.
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