De l'électronique à l'excitonique?

C’est une nouvelle manière d’envisager l’électronique. Elle se base sur l’exciton, une quasi particule qui se forme lorsqu’un matériau absorbe de la lumière. Après avoir mis au jour leurs extraordinaires propriétés permettant la réalisation d’appareils plus efficaces et économes en électricité, des chercheurs de l’EPFL ont récemment trouvé le moyen de mieux contrôler les excitons dans la matière.

Il y a une année, une équipe issue du Laboratoire d'électronique et structures à l'échelle nanométrique de l’EPFL (LANES) annonçait qu’elle avait réussi à mettre au point un transistor basé sur des excitons plutôt que sur les électrons. Surtout, ils avaient pour la première fois pu le faire fonctionner à température ambiante, levant ainsi la contrainte principale de ce genre de dispositif.

Un exciton est en fait une quasi-particule, c’est-à-dire une entité qui décrit les interactions des particules entre elles dans la matière solide. Phénomène temporaire, il se produit lorsqu’un électron absorbe un photon. Il passe alors à un degré d’énergie supérieur, laissant un trou dans le niveau d’énergie précédent - que l’on nomme bande de valence en théorie des bandes. L’électron et le trou d’électron restent toutefois liés par une force électrostatique, qui tend à les réunir. Dans cet état de tension, ils forment, ensemble, un exciton, qui cesse d’exister lorsque l’électron se recombine finalement avec le trou et émet un photon.

Pour créer plus facilement les excitons et qu’ils perdurent plus longtemps, les chercheurs utilisent deux couches de matériaux 2D différents, l’une de diséléniure de tungstène (WSe₂) et l’autre de diséléniure de molybdène (MoSe₂). Or, ils se sont aperçus qu’une fois superposées, leurs structures formaient un motif répétitif - un moiré - qui conditionnait la répartition des particules. «Les excitons avaient tendance à se regrouper dans certains endroits et entraver la fluidité du courant», explique Andras Kis, qui dirige le LANES. Pour éviter cet effet de moiré et les agglutinements qu’il engendre, une couche intermédiaire de nitrure de bore (h-BN) a été ajoutée. Elle permet d’observer plus clairement les excitons et leur niveau d’énergie.

Les chercheurs ont ainsi également réussi à polariser le courant des excitons, offrant la possibilité d’encoder de l’information dans les variations de magnitude et de polarisation du courant des excitons. Ainsi, ils augmentent encore le potentiel de ces quasi-particules en termes de codage et de manipulation de l'information au niveau nanoscopique.

Références

Dmitrii Unuchek, Alberto Ciarrocchi, Ahmet Avsar, Zhe Sun, Kenji Watanabe, Takashi Taniguchi, Andras Kis, «Valley-polarized exciton currents in a van der Waals heterostructure», publié le 21 octobre 2019 dans Nature Nanotechnology.