Des chercheurs de l’Institut d’Okinawa des sciences et de la technologie (OIST) ont franchi une étape cruciale dans le domaine de l’information quantique en développant une méthode pour observer et manipuler des excitons sombres, des porteurs d’informations prometteurs pour les technologies de demain. Cette avancée, rendue possible grâce à un système de spectroscopie de pointe, ouvre de nouvelles perspectives pour des dispositifs électroniques plus rapides, plus efficaces et moins énergivores.
L’équipe de l’OIST a, pour la première fois, suivi en temps réel l’évolution des excitons sombres dans des matériaux ultra-minces. Ces quasi-particules, moins sensibles aux perturbations environnementales que les excitons traditionnels, pourraient permettre de créer des qubits plus stables et moins sujets à la décohérence, un obstacle majeur au développement de l’informatique quantique.
« Les excitons sombres ont un grand potentiel en tant que vecteurs d’information, car ils interagissent intrinsèquement moins avec la lumière et sont donc moins susceptibles de voir leurs propriétés quantiques se dégrader », explique le professeur Keshav Dani, responsable de l’unité de spectroscopie femtoseconde à l’OIST. « Cependant, cette invisibilité rend également leur étude et leur manipulation très difficiles. En s’appuyant sur une percée réalisée à l’OIST en 2020, nous avons ouvert la voie à la création, à l’observation et à la manipulation de ces excitons sombres. »
Pour comprendre les enjeux, Xing Zhu, doctorant et co-premier auteur de l’étude, explique : « Dans le domaine général de l’électronique, on manipule la charge des électrons pour traiter l’information. En spintronique, on exploite le spin des électrons. En allant plus loin, en valleytronique, la structure cristalline de matériaux uniques nous permet d’encoder l’information dans des états de quantité de mouvement distincts, appelés vallées. »
L’utilisation de la dimension « vallée » des excitons sombres pour transporter l’information en fait des candidats prometteurs pour les technologies quantiques. Leur résistance naturelle aux facteurs environnementaux, tels que la température, pourrait réduire les besoins en refroidissement extrême et limiter la décohérence.
L’étude s’appuie sur un dispositif expérimental de pointe, le TR-ARPES (spectroscopie photoélectronique à résolution temporelle et angulaire), doté d’une source XUV (ultraviolet extrême) de table, capable d’imager les électrons et les excitons à des échelles de temps de l’ordre de la femtoseconde (1 fs = 10-15 seconde). Cette technologie permet de sonder les propriétés des excitons avec une précision inégalée.
Les chercheurs se sont concentrés sur une famille de semi-conducteurs atomiquement minces appelés TMD (dichalcogénures de métaux de transition). Ces matériaux présentent une structure cristalline particulière qui confine les électrons à des niveaux d’énergie définis. Lorsqu’ils sont éclairés, des électrons sont excités vers des niveaux d’énergie supérieurs, laissant derrière eux des « trous » chargés positivement. L’attraction entre ces électrons et ces trous crée des excitons.
Il existe deux types d’excitons : les excitons brillants, qui se recombinent rapidement en émettant de la lumière, et les excitons sombres, qui ne peuvent pas se recombiner immédiatement et ne rayonnent pas. « Il existe deux ‘espèces’ d’excitons sombres », précise le Dr. David Bacon, co-premier auteur, désormais à l’University College London, « les excitons ‘momentum-sombres’ et les excitons ‘spin-sombres’, selon la manière dont les propriétés de l’électron et du trou sont en conflit. Cette incompatibilité empêche non seulement une recombinaison immédiate, leur permettant d’exister jusqu’à plusieurs nanosecondes (1 ns = 10-9 seconde), mais isole également les excitons sombres des interactions environnementales. »
La structure hexagonale des TMD crée un paysage de quantité de mouvement avec des minima d’énergie, appelés vallées. Grâce à la symétrie quantique, les propriétés des électrons dans ces vallées sont liées : si un électron dans une vallée a un spin vers le bas, l’électron dans la vallée opposée aura un spin vers le haut. Les excitons brillants se forment lorsque l’électron et le trou se trouvent dans la même vallée et ont le même spin. En utilisant une lumière polarisée circulairement, il est possible de créer sélectivement des excitons brillants dans une vallée spécifique, un principe fondamental de la valleytronique.
« L’atomicité unique des TMD permet de créer sélectivement des excitons brillants dans une vallée spécifique lorsqu’ils sont exposés à une lumière polarisée circulairement. C’est le principe fondamental de la valleytronique », explique le Dr. Vivek Pareek, co-premier auteur et ancien diplômé de l’OIST, désormais à l’Institut de technologie de Californie. « Cependant, les excitons brillants se transforment rapidement en de nombreux excitons sombres qui peuvent potentiellement préserver l’information de la vallée. Quelles espèces d’excitons sombres sont impliquées et dans quelle mesure elles peuvent maintenir l’information de la vallée restent à déterminer, mais il s’agit d’une étape clé dans la recherche d’applications valleytroniques. »
Grâce au TR-ARPES, les chercheurs ont pu observer l’évolution des différents excitons après la formation d’excitons brillants dans une vallée spécifique. Ils ont mesuré simultanément la quantité de mouvement, l’état de spin et la population d’électrons et de trous, une combinaison de propriétés jamais quantifiée auparavant.
Leurs résultats montrent que certains excitons brillants sont diffusés par des phonons dans différentes vallées, devenant ainsi momentum-sombres, en moins d’une picoseconde (1 ps = 10-12 seconde). Plus tard, les excitons spin-sombres dominent, les électrons ayant inversé leur spin dans la même vallée, persistant sur des échelles de temps de l’ordre de la nanoseconde.
« Grâce au système TR-ARPES sophistiqué de l’OIST, nous avons directement accédé et cartographié la manière dont les excitons sombres maintiennent l’information de la vallée sur une longue période », résume le Dr. Julien Madéo de l’unité. « Les futurs développements pour lire les propriétés de la vallée des excitons sombres permettront de débloquer de nombreuses applications valleytroniques dans les systèmes d’information. »
Référence : « A holistic view of the dynamics of long-lived valley polarized dark excitonic states in monolayer WS2 » par Xing Zhu, David R. Bacon, Vivek Pareek, Julien Madéo, Takashi Taniguchi, Kenji Watanabe, Michael K. L. Man et Keshav M. Dani, publié le 10 juillet 2025 dans Nature Communications.
Financement : Okinawa Institute of Science and Technology Graduate University, Japan Society for the Promotion of Science, Fusion Oriented REsearch for disruptive Science and Technology, Japan Society for the Promotion of Science, Japan Society for the Promotion of Science, Japan Society for the Promotion of Science, Japan Society for the Promotion of Science, Japan Science and Technology Agency.