Des chercheurs de l’Université du Michigan créent un « phare d’électrons » avec de la lumière laser
Des chercheurs de l’Université du Michigan ont mis au point un dispositif semi-conducteur capable d’orienter le mouvement des électrons grâce à la lumière laser, sans nécessiter de champ électrique appliqué ni source d’alimentation électrique. Ce dispositif a été principalement conçu pour explorer des questions fondamentales en physique et démontrer un comportement jusqu’alors inobservé.
Cette découverte pourrait éventuellement soutenir des technologies intégrant l’optique et l’électronique, notamment dans les domaines de la détection avancée, de l’imagerie et des télécommunications. Elle pourrait également permettre d’améliorer les méthodes de transmission de signaux entre dispositifs et d’encoder davantage d’informations.
Yiming Gong, doctorant au département de physique de l’Université du Michigan, a déclaré : « Ce dispositif électrique que nous avons fabriqué au Lurie Nanofabrication Facility a le potentiel de devenir un instrument mesurant différents aspects de la lumière. Mais cela provient d’un niveau fondamental de la physique, qui est l’interférence entre différents processus d’absorption optique. »
Deux couleurs de lumière pour diriger le flux d’électrons
Avec le soutien fédéral de la National Science Foundation des États-Unis, l’équipe a démontré que deux couleurs de lumière différentes pouvaient générer un flux organisé d’électrons à travers un semi-conducteur. Les chercheurs ont également pu modifier la direction de ce courant en faisant tourner la polarisation des deux champs optiques, ce qui décrit la direction dans laquelle oscillent les ondes lumineuses.
Steven Cundiff, physicien à l’U-M et auteur principal du rapport publié dans la revue Physical Review Letters, a expliqué : « Normalement, les électrons se déplacent à travers un matériau en raison d’un champ électrique qui les fait rebondir et dériver. Ici, en utilisant la lumière, nous pouvons en quelque sorte orienter les électrons dans une direction spécifique sans appliquer de champ électrique. »
Des études antérieures avaient déjà montré que la lumière pouvait provoquer le mouvement des électrons. L’expérience actuelle va plus loin en produisant un flux étroit d’électrons et en contrôlant la direction précise dans laquelle il se déplace.
Cundiff a ajouté : « La lumière ne se contente plus d’allumer le courant ; elle le dirige également. »
Un faisceau de phare constitué d’électrons
Cundiff compare cet effet à un phare qui balaie un faisceau à travers l’horizon lorsque sa lampe tourne. Dans cette expérience, cependant, le faisceau mobile est composé d’électrons. Les scientifiques peuvent faire pivoter ce faisceau d’électrons en ajustant la polarisation des deux champs optiques cohérents en phase.
Cet effet repose sur l’interférence quantique, qui se produit lorsque deux couleurs de lumière parcourent le semi-conducteur par des voies d’absorption différentes menant finalement au même état final. La lumière apporte de l’énergie au matériau sous forme de paquets discrets, appelés photons, qui mobilisent les porteurs de charge électrique du semi-conducteur.
Dans la configuration de l’U-M, le matériau absorbe la lumière entrante par deux voies simultanément. Cundiff a comparé le processus à des ondulations qui se chevauchent. Pour les électrons se déplaçant dans une direction, les ondulations s’alignent et se renforcent. Pour les électrons se déplaçant dans d’autres directions, elles s’annulent mutuellement. Cette amplification sélective produit un courant concentré dans une direction particulière plutôt que de se répartir uniformément dans le matériau.
Un dispositif quantique longtemps prédit devenu réalité
J.E. Sipe de l’Université de Toronto, qui a collaboré avec les chercheurs sur un projet antérieur, avait prédit qu’un tel « phare d’électrons » pourrait être créé. Gong a finalement transformé cette idée théorique en un dispositif fonctionnel avec l’aide du Lurie Nanofabrication Facility.
Gong a souligné : « Le LNF est une installation incroyable, mais il a fallu un travail minutieux pour fusionner les matériaux du dispositif sans introduire de champs électriques indésirables. » Il était crucial de s’asr que le flux d’électrons provenait uniquement de la lumière.
La fabrication du dispositif a nécessité des expérimentations avec différentes méthodes de fabrication. Gong a déclaré : « C’était le plus grand casse-tête à résoudre pour moi, car il n’existe pas de méthode standard. J’ai donc travaillé avec le personnel du LNF pour tester différentes recettes et températures afin de développer un processus de fabrication. »
Kai Wang, ancien chercheur postdoctoral ayant collaboré avec Cundiff et maintenant professeur d’électronique et d’information à l’Université Sun Yat-sen en Chine, a également conseillé Gong durant le projet.
Gong a depuis obtenu son doctorat à l’U-M et travaille actuellement à Chicago en tant que scientifique en apprentissage automatique, appliquant ses compétences quantitatives et analytiques développées lors de sa recherche en physique à des problèmes en apprentissage automatique.
Source : Université du Michigan
