28 novembre 2023

(Actualités NanworkUn nouveau type de « fil » pour piloter les excitons, développé à l’Université du Michigan, pourrait contribuer à la création d’une nouvelle classe de dispositifs, comprenant peut-être des ordinateurs quantiques à température ambiante.

En outre, l’équipe a observé une violation significative de la relation d’Einstein, utilisée pour décrire la façon dont les particules se propagent dans l’espace, et l’a exploitée pour déplacer les excitons dans des faisceaux beaucoup plus petits qu’il n’était possible auparavant.

Prises principales

Un nouveau « fil » pour transporter les excitons, qui pourrait permettre des progrès dans l’informatique quantique et l’efficacité des appareils actuels.

Observation d’écarts significatifs par rapport à la théorie de la diffusion des particules d’Einstein, entraînant un mouvement des excitons plus compact.

Les excitons, qui sont des paires électron-trou, offrent des avantages en informatique en raison de leur charge neutre et de leur facilité de conversion vers/depuis la lumière.

L’informatique quantique à température ambiante est une application potentielle, tirant parti des excitons pour coder et traiter l’information quantique.

Une nouvelle structure hiérarchique pour un transport précis des excitons, surmontant le défi du déplacement de ces particules neutres.

Micrographie couleur à force atomique d’une pyramide de dioxyde de silicium recouverte d’une seule couche de diséléniure de tungstène. La ligne verte est un histogramme de la distribution des excitons et la flèche rouge montre son chemin depuis le bas de la pyramide. Les couleurs du toit et de la pyramide indiquent l’élévation à cet endroit. (Image : Laboratoire d’excitons et de photonique et Laboratoire de théorie quantique, Université du Michigan)

recherche

« La nature utilise des excitons dans la photosynthèse. Nous utilisons des excitons dans les écrans OLED, certaines LED et les cellules solaires », a déclaré Parag Deutari, co-auteur de l’étude, dans la revue. ACS Nano (« Amélioration du transport par dérive des excitons grâce à la suppression de la diffusion dans des guides unidimensionnels. ») Superviseur des travaux expérimentaux et professeur agrégé de génie électrique et informatique. « Être capable de déplacer les excitons là où nous le souhaitons nous aidera à améliorer l’efficacité des appareils qui utilisent déjà des excitons et à élargir la portée des excitons en informatique. »

Un exciton peut être considéré comme une particule (et donc une quasi-particule), mais il s’agit en réalité d’un électron lié à un espace vide chargé positivement dans le réseau de la matière (« un trou »). Étant donné qu’un exciton n’a pas de charge électrique nette, les excitons en mouvement ne sont pas affectés par la capacité parasite, qui est une interaction électrique entre les composants adjacents d’un dispositif provoquant une perte d’énergie. Les excitons sont également faciles à convertir vers et depuis la lumière, ce qui ouvre la voie à des ordinateurs très rapides et efficaces utilisant une combinaison d’optiques et d’excitons plutôt que d’électronique.

Cette combinaison pourrait contribuer à permettre l’informatique quantique à température ambiante, a déclaré Makelo Kira, co-auteur de l’étude et professeur de génie électrique et informatique. Les excitons peuvent coder des informations quantiques et peuvent les conserver plus longtemps que les électrons à l’intérieur des semi-conducteurs. Mais ce temps se mesure toujours en picosecondes (10-1 2 secondes) au mieux, alors Kira et d’autres ont découvert comment utiliser les impulsions laser femtoseconde (10-15 secondes) pour traiter les informations.

« Les applications de l’information quantique complète restent un défi car la dégradation de l’information quantique est trop rapide pour l’électronique ordinaire », a-t-il déclaré. « Nous explorons actuellement l’électronique à ondes lumineuses comme moyen d’augmenter la puissance des excitons avec des capacités de traitement très rapides. »

Cependant, l’absence de charge nette rend très difficile le transport des excitons. Auparavant, Diotari avait mené une étude qui faisait passer des excitons à travers un semi-conducteur à l’aide d’ondes sonores. Désormais, la structure hiérarchique permet une transmission plus précise d’un petit nombre d’excitons, confinés à une seule dimension comme un fil.

Cela fonctionne comme ceci :

L’équipe a utilisé un laser pour créer un nuage d’excitons dans le coin de la base de la pyramide, provoquant le rebond des électrons de la bande de valence du semi-conducteur vers la bande de conduction, mais les électrons chargés négativement étaient toujours attirés vers les trous chargés positivement restant dans la pyramide. . Bande de Valence. Le semi-conducteur est une seule couche de semi-conducteur au diséléniure de tungstène, d’une épaisseur de seulement trois atomes, drapée sur la pyramide comme un tissu extensible. L’étirement des semi-conducteurs modifie le paysage énergétique rencontré par les excitons.

Il semble contre-intuitif que les excitons s’élèvent jusqu’au bord de la pyramide et s’installent au sommet lorsque l’on imagine un paysage énergétique régi principalement par la gravité. Au lieu de cela, le paysage est régi par la distance entre les bandes de valence et de conduction du semi-conducteur. L’écart énergétique entre les deux, également connu sous le nom de bande interdite du semi-conducteur, diminue à mesure que le semi-conducteur s’étire. Les excitons migrent vers l’état d’énergie le plus bas, se dirigent vers le bord de la pyramide où ils montent ensuite jusqu’à son sommet.

L’équation formulée par Einstein est généralement efficace pour décrire comment un groupe de particules se propage vers l’extérieur et dérive. Cependant, le semi-conducteur était imparfait et ces imperfections servaient de pièges qui capturaient certains des excitons lorsqu’ils tentaient de dériver. Étant donné que les défauts à l’arrière du nuage d’excitons ont été comblés, ce côté de la distribution s’est étendu vers l’extérieur comme prévu. Mais l’avant-garde ne s’est pas encore étendue. La relation d’Einstein variait d’un facteur de plus de 10.

« Nous ne disons pas qu’Einstein avait tort, mais nous avons montré que dans des cas complexes comme celui-ci, nous ne devrions pas utiliser sa relation pour prédire le mouvement des excitons issus de la diffusion », a déclaré Matthias Florian, co-premier auteur de l’article. Chercheur et chercheur en génie électrique et informatique, travaillant sous la supervision de Kira.

Pour mesurer les deux directement, l’équipe devait détecter des photons uniques, émis lorsque des électrons liés et des trous se combinent spontanément. À l’aide de mesures de temps de vol, ils ont également détecté la source des photons avec suffisamment de précision pour mesurer la répartition des excitons dans le nuage.

Certaines stars sont coincées dans de mauvaises relations de couple. L’étoile primaire massive se nourrit de son plus petit compagnon, absorbant le gaz de celui-ci et augmentant sa masse tout en réduisant la taille de son partenaire malchanceux. Ces étoiles vampires sont appelées étoiles Be, et jusqu’à présent, les astronomes pensaient qu’elles existaient dans des relations binaires.

Mais de nouvelles recherches montrent que ces étoiles ne peuvent se nourrir que de leur plus petite voisine en raison de la présence d’une troisième étoile dans le système.

Be Stars est un sous-genre de Étoiles B. B est le type spectral d’étoile, donc les étoiles B et Be partagent le même type. Les deux types sont lumineux et bleus, mais si les étoiles B peuvent être 2 à 16 fois plus massives que le Soleil, les étoiles Be ne sont pas aussi massives. Les étoiles tournent également plus vite que les autres étoiles et possèdent des anneaux d’accrétion. Environ 20 % des étoiles B sont des étoiles Be.

L’univers des étoiles est important dans notre quête pour comprendre comment les étoiles se forment et évoluent. Les astronomes connaissent les étoiles Be depuis longtemps, mais le mécanisme de leur formation reste incertain. jusqu’à maintenant.

De nouvelles recherches publiées dans les Avis mensuels de la Royal Astronomical Society fournissent des preuves qui expliquent en grande partie comment les étoiles se forment. Son titre est « Gaia révèle la différence dans la binaire des étoiles B et Be à petite échelle : preuve du transfert de masse à l’origine du phénomène Be.« L’auteur principal est Jonathan Dodd, doctorant à l’Université de Leeds au Royaume-Uni.

En général, les astrophysiciens comprennent comment se forment les étoiles. Le nuage moléculaire s’effondre localement pour former une protoétoile, dont la taille augmente progressivement avec le temps jusqu’à ce que la fusion soit stimulée. Mais il existe de nombreuses variantes sur ce thème, et il existe de nombreux types d’étoiles différents dans différentes situations.

Les astronomes savent que les étoiles vampires forment des anneaux d’accumulation de gaz extrêmement chauds, et jusqu’à présent, ils pensaient avoir découvert cet arrangement. La compréhension actuelle est que la proximité de l’étoile Be avec l’étoile donneuse permet à l’étoile Be de se développer en éloignant le gaz du donneur vers le disque d’accrétion, puis vers elle-même. Cela augmente également la rotation de l’étoile Be. Les astronomes ont trouvé de nombreux exemples d’étoiles compagnes nues autour des étoiles Be, renforçant ainsi les preuves.

Mais de nouvelles recherches montrent qu’une troisième étoile est impliquée. Cette étoile habilitante n’est apparue que grâce à la mission Gaia de l’Agence spatiale européenne. La mission de Gaia est d’observer plus d’un milliard d’étoiles et de mesurer précisément leurs positions et vitesses. « Ici, nous exploitons la remarquable précision astronomique de Gaia pour réaliser la plus grande étude comparative à ce jour sur des échantillons binaires identiques d’étoiles B et Be proches de catalogue d’étoiles brillantes,« Les auteurs écrivent dans leur article.

« Nous avons observé la façon dont les étoiles se déplacent dans le ciel nocturne, sur des périodes plus longues, par exemple 10 ans, et sur des périodes plus courtes, d’environ six mois », a déclaré Dodd. « Si une étoile se déplace en ligne droite, nous savons qu’il n’y a qu’une seule étoile, mais s’il y en a plus d’une, nous verrons une légère oscillation, ou au mieux, un vortex. »

« Nous avons appliqué cela aux deux groupes d’étoiles que nous observons – les étoiles B et les étoiles Be – et ce que nous avons découvert, de manière déroutante, c’est qu’au départ, les étoiles Be semblent avoir un taux de compagnon inférieur à celui des étoiles B », a déclaré Dodd. parce que nous nous attendons à ce qu’ils aient une moyenne plus élevée.

Si les étoiles Be grossissent parce qu’elles éloignent de la matière de l’étoile donneuse, alors, bien sûr, les étoiles Be devraient avoir plus de partenaires binaires que les étoiles B. Peut-être qu’ils sont là, mais ils sont plus difficiles à détecter.

« Le fait que nous ne les voyons pas est peut-être dû au fait qu’ils sont désormais trop faibles pour être détectés », a déclaré le professeur René Odemeyer, co-auteur de l’étude.

Les chercheurs ont fouillé les données, à la recherche de compagnons binaires d’étoiles Be qui pourraient être plus éloignées. Ils ont constaté qu’à des distances de séparation plus grandes, le taux d’étoiles compagnes est plus similaire entre les étoiles B et Be. De là, ils concluent qu’il existe une troisième étoile, qui est en fait l’étoile qu’ils voient à plus grande distance.

Ils pensent que les interactions avec la troisième étoile obligent l’étoile donatrice à se rapprocher de l’étoile vampire. Lorsque le donneur s’approche de l’étoile vampire, celle-ci aspire les matériaux dans son disque d’accrétion. En conséquence, l’étoile donneuse est trop petite et trop faible pour être observée.

Les étoiles compagnons que l’équipe a découvertes en élargissant leurs recherches sont si éloignées de l’étoile vampire que celle-ci ne peut pas absorber la masse. Mais les astronomes savent qu’une troisième étoile peut rapprocher les paires binaires et « renforcer » également le lien entre la paire interne. « On sait qu’une multiplicité d’ordre supérieur peut conduire à un durcissement binaire interne », expliquent les auteurs dans leur article. « En fait, le troisième corps augmente considérablement l’incidence de la migration et d’éventuelles interactions binaires. »

Le scénario pourrait se dérouler de plusieurs manières. Lorsque le système finit par former un simple binaire, un transfert de masse peut se produire entre la paire interne et la troisième étoile externe peut se dissocier. Ou bien la dyade intérieure peut réellement fusionner ; La troisième étoile externe migre plus près de l’étoile primaire et l’étoile migrante peut devenir la nouvelle donneuse.

Dans les deux cas, ce sont des interactions binaires qui sont responsables de la formation des étoiles. « Nos résultats suggèrent que des interactions binaires étroites sont responsables de la formation des étoiles Be », ont écrit les auteurs. « En outre, nous suggérons que le triplet doit jouer un rôle essentiel dans la catalyse de cette migration et donc dans la formation des étoiles Be dans leur ensemble. »

Cette découverte ne met pas seulement en lumière la façon dont les étoiles Be apparaissent. Il met également en évidence Ondes gravitationnelles. Les ondes gravitationnelles sont créées lorsque deux objets massifs, tels qu’une paire de trous noirs, une paire d’étoiles à neutrons, ou un de chaque, fusionnent.

S’il y a des compagnons nus à proximité des étoiles Be et qu’une troisième étoile est nécessaire pour que le scénario se déroule, cela pourrait-il donner une image plus claire des ancêtres de certains des objets denses qui donnent naissance aux ondes gravitationnelles ?

« Une révolution est en train de se produire en physique autour des ondes gravitationnelles », a déclaré le professeur Odemeijer. « Nous observons ces ondes gravitationnelles depuis seulement quelques années, et il s’est avéré qu’elles étaient causées par la fusion de trous noirs. »

« Nous savons que ces objets mystérieux – trous noirs et étoiles à neutrons – existent, mais nous ne savons pas grand-chose des étoiles qu’ils deviendront. Nos découvertes fournissent un indice pour comprendre les sources de ces ondes gravitationnelles », a ajouté Odemeijer.

« Au cours de la dernière décennie, les astronomes ont découvert que les binaires sont un élément très important dans l’évolution stellaire. Nous nous dirigeons désormais davantage vers l’idée que c’est plus compliqué que cela et que les étoiles triples doivent être prises en compte. » » a déclaré Odemeijer.

« En fait, les trois sont devenus les nouveaux deux », a-t-il ajouté.

Lorsqu’un électron chargé négativement et un trou chargé positivement dans une paire restent liés après excitation par la lumière, ils produisent des états appelés excitons. Ces conditions peuvent affecter les propriétés optiques des matériaux, permettant ainsi de les utiliser pour développer diverses technologies.

Une équipe de chercheurs du Rensselaer Polytechnic Institute, de l’Imperial College de Londres, de l’UC Riverside, de l’Université Carnegie Mellon et d’autres instituts du monde entier étudient la formation d’excitons depuis des années, tout en essayant d’identifier de nouveaux matériaux prometteurs pour les applications optoélectroniques.

Dans un article publié dans Physique naturelleils fournissent la preuve de l’état diélectrique dit excitant de Mott dans WSe₂/WS₂ Un super-réseau moiré (c’est-à-dire un motif d’interférence périodique résultant de la superposition de deux couches atomiques avec des périodicités légèrement différentes).

« Dans nos travaux précédents, nous avons montré que l’interaction de corrélation électron-électron est forte dans ce WSe₂/WS₂ « Super moiré », a déclaré à Phys.org Sophie Shi, l’une des chercheuses qui ont mené l’étude.

« Nous pensons que l’interaction entre exciton et électron et exciton et exciton est également forte. Nous pouvons profiter de cette forte connexion exciton-exciton pour réaliser de nouveaux états quantiques d’excitons, qui sont des bosons et seront différents des fermions (électrons).  »

Shi et ses collègues étudient les super-réseaux ondulés depuis un certain temps, en raison de leur structure unique qui les rend intéressants pour le traitement des excitons. Ces structures sont constituées de deux ou plusieurs cristaux atomiquement minces empilés les uns sur les autres, mais selon un angle de torsion distinct qui produit ce que l’on appelle un « désappariement de réseau ».

Dans leur précédent article, les chercheurs ont montré que l’interaction entre les électrons était particulièrement forte dans un super-réseau moiré basé sur WSe.₂ Et c’est vrai₂ Cristaux. Dans leur nouvel article, ils ont entrepris d’étudier plus en profondeur cette même structure et d’explorer son potentiel en tant que plate-forme pour réaliser des états quantiques d’excitons.

« Dans notre expérience, nous avons principalement utilisé des techniques de spectroscopie optique, en particulier la spectroscopie optique (PL) », a expliqué Shi. « L’énergie photonique émise par un exciton intercouche en fonction du dopage (électrons ou trous ajoutés au super-réseau moiré) et de la force d’excitation (contrôlant la densité moyenne numérique de l’exciton) révèle la forte répulsion électron-exciton et la répulsion exciton-exciton. »

Les expériences menées par Shi et ses collègues ont collecté des preuves de l’émergence d’un état isolant mortel induit par l’exciton dans WSe₂/WS₂ Structure, c’est-à-dire lorsqu’un exciton interstitiel occupe une cellule dans une cellule du super-réseau ondulé. Cet état pourrait avoir des implications intéressantes dans l’étude et le développement des systèmes quantiques.

« La réalisation la plus notable de notre étude est la formation d’un état isolant de mort passionnant, qui est une prédiction du modèle bosonique de Hubbard », a déclaré Shi. « Cela montre que la corrélation des excitons est en effet forte dans le super-réseau ondulé, et nous pouvons l’utiliser pour construire des états quantiques résultant de plusieurs corps hamiltoniens de bosons. »

La dernière étude réalisée par cette équipe de chercheurs confirme les découvertes précédentes et met en évidence le potentiel de cette idée₂/WSe₂ Un réseau de moiré de super-réseau pour étudier et concevoir de nouveaux états corrélés. Le cas passionnant de l’isolant Mott révélé peut être reproduit et étudié plus en détail dans de futures recherches, tout en éclairant d’autres travaux utilisant la même plate-forme expérimentale.

« Dans nos prochaines études, nous souhaitons explorer la rotation des vallées et un nouveau degré de liberté pour l’état passionnant de l’isolant Mott », a ajouté Shi. « Nous souhaitons également utiliser nos nouvelles connaissances pour créer un nouvel état quantique et effectuer des simulations quantiques basées sur des excitons ou des mélanges excitons-électrons. »

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