Observer les oscillations d'une mer d'électrons
Des scientifiques observent et contrôlent des ondes de surface ultrarapides sur le graphène
Imaginez que vous vous trouvez au bord d'un lac et que vous jetez une pierre dans l'eau. Les ondes se propagent de manière circulaire et peuvent se refléter sur les obstacles et les frontières. Des chercheurs de l'université de Ratisbonne, en collaboration avec des collègues de Milan et de Pise, ont recréé ce phénomène quotidien dans un monde miniature fascinant : Ils ont observé la propagation des vagues - non pas sur l'eau mais dans une "mer d'électrons" - à l'aide de l'une des caméras au ralenti les plus rapides à l'échelle nanométrique.
Ces mers d'électrons se trouvent généralement à la surface des métaux ou des matériaux ayant des propriétés métalliques. Dans le cas présent, il s'agit de graphène, un matériau bidimensionnel composé d'une seule couche d'atomes de carbone. Au lieu d'une pierre, les scientifiques ont utilisé des impulsions laser, en les concentrant sur une pointe métallique acérée placée juste au-dessus de la surface du matériau. "La lumière met en mouvement les électrons de la pointe", explique Simon Anglhuber, de l'Institut de physique expérimentale et appliquée de l'UR. "Les oscillations qui en résultent exercent une force sur les électrons du graphène. Cela génère une onde circulaire de densité électronique qui se propage dans le graphène sous la pointe. L'onde peut se réfléchir sur les bords de l'échantillon et revenir vers la pointe. Ces réflexions peuvent ensuite être mesurées optiquement en inversant le processus précédent et en reconvertissant l'onde électronique en lumière. En déplaçant avec précision la pointe sur l'échantillon, les chercheurs ont pu enregistrer un film montrant l'oscillation de l'onde à différents endroits au fil du temps.
Analyse de haute précision du mouvement des ondes
La nouvelle technique permet d'observer directement la propagation des ondes électroniques dans l'espace et dans le temps. Ce résultat a été obtenu avec une résolution à l'échelle du nanomètre - pertinente pour les technologies modernes des semi-conducteurs (1 nm = 10-9 m) - et une résolution temporelle de l'ordre de la femtoseconde. En termes de résolution temporelle, la méthode peut être comparée à une caméra au ralenti ultra-rapide avec une fréquence de plus de 10 billions d'images par seconde (>10¹³ fps). Il en résulte une analyse extrêmement précise du mouvement des vagues, notamment de leur vitesse, de leur amortissement et de leur fréquence, sans qu'il soit nécessaire de recourir à des transformations informatiques complexes. Les chercheurs ont notamment observé une distinction entre la propagation du centre de masse de l'onde et la propagation des crêtes et des creux de l'onde. En mesurant précisément ces deux vitesses, il est possible de déduire les propriétés du matériau à travers lequel les ondes se propagent.
Dans leurs expériences, les chercheurs ont comparé des échantillons de graphène produits par différentes méthodes et ont constaté des différences significatives dans la propagation des ondes, liées aux variations de la qualité de l'échantillon. Ces résultats devraient contribuer à la mise au point de meilleurs échantillons destinés à être utilisés dans des dispositifs optoélectroniques, tels que des capteurs de lumière ultrasensibles. Fait remarquable, la méthode fonctionne également pour les ondes électroniques fortement amorties dans la gamme dite des térahertz et de l'infrarouge moyen, une région spectrale située entre notre réseau 5G et la lumière visible qui était jusqu'à présent difficile d'accès.
Contrôle ultrarapide des ondes de surface
Dans une dernière étape, les chercheurs ont utilisé une autre impulsion laser pour perturber délibérément la mer d'électrons dans l'échantillon de graphène pendant que l'onde électronique se propageait. En incluant la deuxième impulsion laser, ils ont pu affaiblir sélectivement l'onde. Cela permet non seulement d'observer les ondes et de comprendre le matériau dans sa forme statique, mais aussi de contrôler et de modifier les propriétés du matériau de manière ultrarapide. Ce contrôle direct des ondes de densité électronique pourrait constituer une étape clé dans le développement de nouveaux composants électroniques avec des vitesses d'horloge plus de mille fois supérieures à celles de l'électronique actuelle.
Note: Cet article a été traduit à l'aide d'un système informatique sans intervention humaine. LUMITOS propose ces traductions automatiques pour présenter un plus large éventail d'actualités. Comme cet article a été traduit avec traduction automatique, il est possible qu'il contienne des erreurs de vocabulaire, de syntaxe ou de grammaire. L'article original dans Anglais peut être trouvé ici.
Publication originale
Simon Anglhuber, Martin Zizlsperger, Eva A. A. Pogna, Yaroslav A. Gerasimenko, Anastasios D. Koulouklidis, Imke Gronwald, Svenja Nerreter, Leonardo Viti, Miriam S. Vitiello, Rupert Huber, Markus A. Huber; "Spacetime Imaging of Group and Phase Velocities of Terahertz Surface Plasmon Polaritons in Graphene"; Nano Letters, 2025-1-2
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