Des chercheurs de l’ETH Zurich ont montré pour la première fois, avec une très haute résolution temporelle et spatiale, que les électrons dans certains matériaux bidimensionnels ne suivent les mouvements des noyaux atomiques qu’avec un certain retard. Cette découverte pourrait conduire à l’avenir au développement de composants électroniques d’un nouveau genre.
L’un des grands succès de la physique du 20e siècle a été la description quantique des corps solides. Les scientifiques ont ainsi pu comprendre pour la première fois comment et pourquoi certains matériaux conduisent le courant électrique et comment ils peuvent influencer ces propriétés de manière ciblée. Ainsi, des semi-conducteurs comme le silicium ont pu être utilisés pour fabriquer des transistors, ce qui a révolutionné l’électronique et rendu possible les ordinateurs modernes.
Pour pouvoir saisir mathématiquement l’interaction complexe des électrons et des noyaux atomiques et leurs mouvements dans un corps solide, les physiciens ont toutefois dû simplifier certaines choses. Ils ont par exemple supposé que les électrons légers d’un atome suivaient sans délai le mouvement des noyaux atomiques beaucoup plus lourds dans le réseau cristallin du corps solide. Cette approximation de Born-Oppenheimer a rendu de bons services pendant plusieurs décennies.
L’approximation échoue dans certains matériaux
Mais aujourd’hui, des chercheurs de l’EPFZ et de l’Institut Max Planck pour la structure et la dynamique de la matière à Hambourg ont montré que les électrons réagissent avec un certain retard dans certains matériaux. Ce retard dépend en outre de l’endroit où les électrons sont localisés et de l’état énergétique dans lequel ils se trouvent.
A l’aide d’expériences avec une résolution attoseconde et de calculs théoriques, Ursula Keller et Lukas Gallmann du Département de physique de l’EPFZ ont pu démontrer que les électrons dans les matériaux en couches plates, appelés MXènes, réagissent avec un retard notable aux mouvements des noyaux atomiques après l’excitation d’une oscillation de grille. Les chercheurs viennent de publier leurs résultats dans la revue spécialisée Science. Ces résultats pourraient à l’avenir aider à développer de nouveaux composants optoélectroniques.
Un effet intéressant dans les matériaux de type graphène
Avec la spectroscopie attoseconde, les chercheurs étudient des processus physiques avec une résolution temporelle incroyablement courte. Celle-ci est de l’ordre du trillionième de seconde (milliardième de milliardième de seconde, ou 10-18 secondes). Au cours des trente dernières années, l’équipe de Keller a fait œuvre de pionnier dans ce domaine. "Jusqu’à présent, nous ne nous étions intéressés que marginalement aux phonons, c’est-à-dire aux oscillations du réseau, car ils sont relativement lents", explique Sergej Neb, premier auteur. En étudiant les phonons dans les MXènes, lui et ses collègues ont découvert un retard inattendu dans le mouvement des électrons.
Les MXènes sont des matériaux bidimensionnels, similaires au graphène. Le MXen que les chercheurs ont étudié est composé de plusieurs couches dans lesquelles des atomes de titane, de carbone et d’oxygène sont reliés en un réseau. Il a été fabriqué par des collègues du département de génie mécanique et de génie des procédés.
Mais comment peut-on étudier les vibrations du réseau à l’intérieur d’un tel matériau ? Les physiciens ont réussi à provoquer des vibrations de grille dans le MXen à l’aide d’une courte impulsion infrarouge. Ils ont ensuite irradié le matériau avec des impulsions laser attosecondes dans l’extrême ultraviolet et ont mesuré la quantité de lumière laser traversant le matériau. Selon la longueur d’onde des impulsions, les électrons dans le matériau ont pu être stimulés pour absorber des photons ultraviolets et atteindre ainsi des niveaux d’énergie plus élevés.
Enfin, les chercheurs ont répété l’expérience sans exciter initialement les oscillations du réseau. La différence entre les deux résultats leur a permis de déduire le mouvement des électrons et des noyaux atomiques.
Les électrons sont à la traîne
En modifiant l’intervalle de temps entre les deux impulsions laser de quelques femtosecondes (10-15 seconde ; millionième partie d’un milliardième de seconde) à des picosecondes (10-12 seconde, millième partie d’un milliardième de seconde), les physiciens ont pu déterminer avec une grande précision le retard avec lequel les électrons réagissaient à l’excitation soudaine de l’oscillation de grille.
"Dans l’approximation traditionnelle de Born-Oppenheimer, on ne s’attendrait pas du tout à un retard", explique Neb, "mais nous avons constaté que les électrons avaient jusqu’à trente femtosecondes de retard sur les noyaux atomiques - dans le monde des attosecondes, c’est un temps très long"
Les chercheurs ont finalement comparé leurs données avec les résultats d’un modèle mathématique de leurs collègues hambourgeois et ont ainsi pu conclure que les oscillations des noyaux atomiques influencent la répartition spatiale des électrons, ce qui modifie à son tour les champs électromagnétiques dans l’environnement des atomes du réseau. De plus, les interactions entre les électrons jouent un rôle important.
Et plus encore : à partir des données, Neb et ses collègues ont même pu déterminer comment les électrons se comportaient dans l’environnement des différents atomes du MXen. "Jusqu’à présent, il n’était pas possible d’avoir un tel aperçu de la dynamique entre les électrons et les phonons au niveau des atomes individuels, et ce même en fonction de l’état, de la liaison et de l’énergie. Seule notre technologie attoseconde a permis cette résolution détaillée", explique Neb.
Des applications pratiques sont envisageables
Les chercheurs espèrent que les nouveaux aperçus de l’interaction entre les électrons et les oscillations du réseau permettront d’élaborer des modèles mathématiques plus précis, qui iront au-delà des approximations actuelles. Des applications pratiques sont également envisageables. "Notre méthode permet de mesurer l’intensité du couplage entre les électrons et les vibrations du réseau. Nous pouvons ainsi prédire dans quelles conditions certains électrons sont plus ou moins impliqués dans la conduction thermique", ajoute Neb.
Une meilleure compréhension du transport de l’énergie et des charges ouvre la voie à un contrôle accru des matériaux et donc à de nouvelles possibilités pour les composants optoélectroniques à l’échelle nanométrique. Parallèlement, les aperçus microscopiques de la conduction thermique au niveau atomique fournissent des points de départ pour des composants électroniques encore plus petits et plus efficaces.
Bibliographie
Neb S, Shin D-b, Burri F, et al. Local fields reveal atomic-scale nonadiabatic carrier-phonon dynamics. Science391,75-78 (2026). aea1523
