Publié le 21 décembre 2025 à 19h10. Des chercheurs ont mis au point une nouvelle méthode pour contrôler le flux d’énergie dans des matériaux ultra-minces, ouvrant la voie à des avancées potentielles dans le domaine des dispositifs quantiques et optoélectroniques.
- Une nouvelle stratégie permet de moduler le transport des excitons dans des super-réseaux moirés.
- Cette approche repose sur le réglage actif des états électroniques grâce au dopage électrostatique.
- La diffusivité des excitons peut être augmentée jusqu’à 100 fois dans certaines conditions.
Des scientifiques de l’Université Carnegie Mellon, de l’UC Riverside et d’autres institutions ont développé une technique innovante pour manipuler le flux d’énergie dans des structures composées de deux couches de dichalcogénures de métaux de transition empilées avec un léger décalage de rotation, connues sous le nom de super-réseaux moirés. Cette avancée, publiée dans la revue Nature Communications, pourrait avoir des implications significatives pour la conception de futurs dispositifs électroniques.
Les excitons, ces paires d’électrons chargés négativement et de trous chargés positivement qui se forment dans les semi-conducteurs, jouent un rôle crucial dans le transport de l’énergie. Ils sont également présents dans les dichalcogénures de métaux de transition, des matériaux semi-conducteurs minces constitués d’un métal de transition et de deux atomes de chalcogène. L’équipe de recherche a concentré ses efforts sur le WS2/WSe2, un système particulièrement prometteur pour l’étude des phénomènes quantiques.
« Ces dernières années, nous avons étudié le WS2/WSe2 pour observer un phénomène quantique à N corps résultant de fortes interactions électron-électron et exciton-exciton », explique Sufei Shi, l’auteur principal de l’étude. « Dès 2021, lorsque nous avons découvert une forte interaction électron-électron, nous avons constaté que les excitons intercouches interagissaient fortement avec les électrons corrélés, ce qui nous a inspirés à utiliser cette interaction électron-exciton pour manipuler la dynamique des excitons. »
L’étude a consisté à fabriquer des couches de dichalcogénures de métaux de transition, puis à les empiler selon un angle précis pour créer un super-réseau moiré. Les chercheurs ont ensuite utilisé des techniques optiques pour induire la formation d’excitons entre les deux couches. En modulant la densité des électrons dans le système et en mesurant la distance et la vitesse de propagation des excitons (appelée diffusivité), ils ont pu comparer le flux d’excitons dans différentes phases électroniques.
« Nous contrôlons la diffusivité des excitons dans notre système par dopage électrostatique – en appliquant une tension de grille qui contrôle le nombre d’électrons dans les super-réseaux moirés », précise Shi. « Ces électrons interagissent fortement les uns avec les autres et sont ce que l’on appelle des électrons corrélés. Lorsque ces électrons se forment dans un isolant de Mott, la diffusivité des excitons est considérablement modifiée. »
Les résultats ont révélé que lorsque la densité d’électrons dans le super-réseau moiré est suffisamment élevée pour former un état isolant de Mott, le flux d’excitons peut être augmenté jusqu’à 100 fois. À l’inverse, la diffusivité des excitons est réduite lorsque les électrons s’organisent en un motif cristallin rigide, formant des états cristallins de Wigner.
Cette recherche ouvre de nouvelles perspectives pour le développement de dispositifs quantiques et optoélectroniques plus performants. « Avec l’exciton robuste dans les semi-conducteurs 2D, il a été largement proposé d’utiliser des excitons pour de futurs dispositifs, en utilisant les excitons plutôt que les électrons comme supports d’informations », souligne Shi. « Cependant, un problème intrinsèque est que l’exciton est neutre en charge et ne peut pas être facilement contrôlé par un champ électrique, contrairement aux électrons. En exploitant l’interaction entre les électrons corrélés et les excitons, nous avons obtenu une diffusivité des excitons contrôlable électriquement. »
Les chercheurs prévoient d’explorer plus en détail les moyens de contrôler la diffusivité des excitons par le biais d’un champ électrique ou de la conception de dispositifs à l’échelle nanométrique. Ils souhaitent également étudier comment l’interaction exciton-exciton peut être utilisée pour manipuler davantage la diffusion des excitons et développer de nouveaux états excitoniques corrélés.
Plus d’informations : Li Yan et al, Anomalously enhanced exciton diffusivity via manipulation of interaction with correlated electrons, Nature Communications (2025). DOI : 10.1038/s41467-025-65602-5.
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