Le 9 novembre 2024
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par Ingrid Fadelli, Tech Xplore
Lorsque la lumière frappe la surface de certains matériaux, notamment ceux présentant une propriété appelée photo-résistance, elle peut induire des changements dans leur conductivité électrique. Le graphène est l'un de ces matériaux, car la lumière incidente peut exciter les électrons à l'intérieur, affectant ainsi sa photoconductivité.
Des chercheurs de l'Université nationale de Singapour rapportent des écarts par rapport aux comportements photo-résistifs standards dans le graphène métallique dopé. Leur article, publié dans Nature Nanotechnology, montre que lorsqu'ils sont exposés à un rayonnement terahertz (THz) en ondes continues, les électrons de Dirac dans ce matériau peuvent être thermiquement découplés du réseau, déclenchant leur transport hydrodynamique.
« Notre recherche découle de la reconnaissance croissante que les modèles traditionnels du comportement des électrons ne captent pas pleinement les propriétés de certains matériaux avancés, en particulier dans le monde quantique », a déclaré Denis Bandurin, professeur adjoint à NUS, chef du laboratoire expérimental de physique de la matière condensée et auteur principal de l'article, à Tech Xplore.
"Pendant longtemps, nous avons traité les électrons comme des particules indépendantes, ressemblant à des atomes dans un gaz, rendant le modèle plus simple. Cependant, de nombreux phénomènes observés dans les matériaux quantiques ne pouvaient pas être expliqués. Cependant, des études récentes ont suggéré que dans certaines conditions, les électrons dans ces matériaux se comportent collectivement, comme un fluide, ce qui signifie qu'ils interagissent et 's'écoulent' ensemble."
L'objectif clé de l'étude menée par Bandurin et ses collègues était d'explorer davantage le comportement de type fluidique des électrons du graphène rapporté dans des études récentes. Plus précisément, l'équipe a tenté de déterminer si l'écoulement visqueux des électrons observé dans le graphène pouvait aider à résoudre un défi de longue date dans le domaine de l'optoélectronique, à savoir la détection du rayonnement THz.
« Les ondes THz, qui se situent entre les micro-ondes et l'infrarouge sur le spectre, sont difficiles à détecter mais ont un énorme potentiel d'applications », a déclaré Bandurin. « Nous voulions voir si le comportement de type fluide des électrons pouvait améliorer la réponse du graphène au rayonnement THz, créant potentiellement un détecteur pratique et haute vitesse pour cette gamme difficile du spectre électromagnétique. »
Pour explorer les effets des ondes THz sur la conductivité électrique du graphène, l'équipe a d'abord préparé des échantillons de graphène monocouche "dopés" avec des électrons supplémentaires, ce qui les a fait se comporter davantage comme des métaux. Pour réaliser une détection efficace dans ces échantillons, l'équipe a dû les traiter davantage, car la conductivité électrique du graphène n'est pas sensible à un chauffage par le rayonnement THz.
"Pour résoudre ce problème, nous avons conçu nos échantillons avec une constriction étroite qui permet aux effets visqueux de modifier la conductivité des échantillons exposés aux ondes THz", a expliqué Mikhail Kravtsov, premier auteur de l'article. "En utilisant des outils de mesure de haute précision, nous avons pu surveiller les changements dans le mouvement des électrons et la résistance électrique à l'intérieur du graphène lorsqu'il interagissait avec les ondes THz."
Fait intéressant, les chercheurs ont observé que lorsque les échantillons de graphène métallique dopés étaient sous l'influence de la lumière THz, la viscosité de leurs électrons de type fluide diminuait. Cela permettait aux électrons de circuler plus facilement à travers le matériau (c'est-à-dire avec moins de résistance).
Bandurin et ses collègues ont capturé cet effet observé dans des bolomètres à électrons visqueux nouvellement développés. Ces dispositifs peuvent promettre une détection de changements de conductivité électrique à des vitesses extrêmement élevées.
"La réalisation la plus passionnante de notre étude a été le développement de la première application pratique de l'écoulement visqueux des électrons, un concept jusqu'alors considéré comme purement théorique", a déclaré Bandurin.
"En utilisant les ondes THz pour modifier la viscosité des électrons dans le graphène, nous avons réussi à créer un dispositif qui détecte le rayonnement THz avec une sensibilité et une vitesse élevées. Il s'agit d'une réalisation importante car cela ouvre de nouvelles possibilités pour utiliser la technologie THz dans des applications réelles, ce qui a été difficile à réaliser."
L'étude récente de cette équipe de chercheurs pourrait avoir des implications importantes pour le développement de diverses technologies THz ultra-rapides et hautement performantes. Par exemple, cela pourrait informer le développement de la technologie de communication sans fil de prochaine génération (6G et au-delà), des systèmes de navigation pour les véhicules autonomes et des outils pour capturer des images astronomiques haute résolution.
« En améliorant notre capacité à détecter la lumière THz, nous pourrions également améliorer les processus industriels, comme le contrôle qualité et l'imagerie médicale, où ce type de détection non destructive a montré des promesses », a déclaré Bandurin.
« En regardant vers l'avenir, notre objectif principal sera d'affiner ces bolomètres électroniques visqueux et de les rendre aussi efficaces et pratiques que possible pour une utilisation généralisée. Nous explorons des moyens d'optimiser leur sensibilité et leur durabilité, en veillant à ce qu'ils puissent fonctionner efficacement dans une variété de conditions et d'applications », a-t-il ajouté.
Dans leurs prochaines études, Bandurin et ses collègues prévoient également d'étudier d'autres matériaux quantiques qui présentent des comportements électroniques similaires à ceux des fluides. Cela leur permettra de déterminer si, par rapport au graphène, ces matériaux présentent des réponses similaires, voire même plus accentuées, au rayonnement THz.
« Comprendre comment exploiter ce comportement électronique collectif de manière plus large pourrait ouvrir la voie à des dispositifs encore plus avancés en optoélectronique et en technologie quantique, conduisant potentiellement à des percées dans la transmission de données, l'imagerie, et au-delà », a conclu Bandurin.
Plus d'informations : M. Kravtsov et al, Viscous terahertz photoconductivity of hydrodynamic electrons in graphene, Nature Nanotechnology (2024). DOI: 10.1038/s41565-024-01795-y
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