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Les physiciensphysiciens ont d'abord pensé que les quasi-particules qu'ils nomment excitons ne pouvaient exister que dans des matériaux semi-conducteurs ou diélectriques. En 2014, ils ont pu, pour la toute première fois, observer des excitons dans un métal. Pourtant, les dispositifs capables de leur donner naissance restent rares. Car ils ne fonctionnent généralement qu'à très basse température. Et ils sont particulièrement complexes à mettre en œuvre.
Mais grâce à des chercheurs de l'université ITMO de Saint-Pétersbourg (Russie), de l'université de Leipzig (Allemagne) et de l'université de technologie d'Eindhoven (Pays-Bas), la donne pourrait changer. Ils annoncent en effet être parvenus à générer des excitons à température ambiante. Non seulement à les créer, mais aussi à contrôler leur positionnement avec une précision de quelques centaines de femtosecondes. Le tout avec l'appui d'un réseau métallo-organique (MOF pour metal-organic framework).
Précisons que le concept de quasi-particule a été imaginé par les physiciens pour leur permettre de décrire certains phénomènes quantiques complexes. L'exciton -- qui correspond à une paire électron-trou -- est l'une d'entre elles. Elle permet d'appréhender l'idée d'un transfert d'énergie par un mécanisme appelé de transfert graduel, celui-ci se fait d'une moléculemolécule à sa voisine sous forme d'énergie d'excitation, laissant les molécules à leurs places respectives.
Le terme de réseau métallo-organique, par ailleurs, fait référence à des matériaux nanoporeux cristallins qui ont été observés pour la première fois au début des années 1990. Ils sont composés d'ionsions métalliques reliés par l'intermédiaire de groupes organiques. Et s'ils intéressent les physiciens, c'est qu'ils présentent des propriétés remarquables : stabilité thermiquestabilité thermique, mécanique et chimique et quasiment pas de potentiel toxique ainsi que de surface spécifique très élevée. Des propriétés qui laissent envisager de nombreuses applicationsapplications, notamment dans le secteur de l’optoélectronique.
Sur la partie gauche de l’image, on observe qu’en fonction des longueurs d’onde (hν1 et hν2), la lumière crée au cœur du réseau métallo-organique, deux types distincts d’excitons (en rouge et en bleu). Sur la partie droite, une image des MOF utilisés par les chercheurs dans leurs travaux. © ITMO University
Générer et contrôler des excitons à température ambiante.
Les MOF synthétisés à l'université ITMO sont structurés en couches. Les forces de Van der Waals agissent sur elles pour les attirer les unes vers les autres. Alors, pour éviter qu'elles n'en viennent à se coller les unes aux autres -- et donner à la structure une troisième dimension bien définie --, l'espace qui les sépare est rempli d'un liquideliquide organique.
Dans ces MOF, les chercheurs européens sont parvenus à créer deux types d'excitons :
- Les premiers, qualifiés d'excitons intracouche, apparaissent lorsqu'un photonphoton est absorbé par le cristal et se transforme en paire électron-trou au cœur de l'une des couches.
- Les seconds, qualifiés d'excitons intercouches, apparaissent lorsqu'un électron et un trou se retrouvent dans deux couches voisines.
Dans la théorie, c'est la composante organique de ces MOF qui a permis aux chercheurs de générer des excitons à température ambiante. Et c'est leur composante métallique qui permet à ces quasi-particules de se déplacer dans le cristal. Mais les excitons intercouches se sont révélés plus stables et lents que leurs homologues intracouche. C'est pourquoi les chercheurs ont eu l'idée de les exploiter pour enregistrer des données.
Comment ? « Nous avons dirigé un faisceau laserlaser vers une zone bien précise du cristal. Là, les couches se sont collées entre elles et la luminescence des excitons a disparu. Le reste du cristal a continué de briller. Nous avons ainsi enregistré un bit d'information sous la forme d'une tache sombre, laquelle est restée observable pendant plusieurs jours », explique Valentin Milichko, professeur à l'université de ITMO. Pour effacer les données, rien de plus simple. Il suffit de plonger le MOF dans le liquide organique utilisé pour séparer les couches et le tour est joué.
