Calcul quantique, photovoltaïque, capteurs… Les matériaux quantiques trouvent des applications dans bien des domaines. Problème : l’étude de ces matériaux complexes et de leurs propriétés s’avère complexe. Dans la prestigieuse revue Science, des chercheurs de l’université du Michigan (Etats-Unis) et de Regensburg (Allemagne) expliquent avoir développé une méthode permettant de cartographier précisément les propriétés quantiques de certains matériaux.
Cette avancée permettra de mieux comprendre leur fonctionnement et de faciliter le développement de nouveaux matériaux aux propriétés conductrices ou électromagnétiques spécifiques.
Calcul quantique et photovoltaïque
"En empilant simplement des couches d’atomes les unes sur les autres, selon des angles différents et en combinant des matériaux divers, les scientifiques peuvent créer des solides artificiels aux propriétés inédites", explique dans un communiqué Rupert Huber, professeur de l’université de Regensburg qui a mené les expériences.
Ces nouveaux matériaux peuvent par exemple permettre de fabriquer des calculateurs quantiques fonctionnant à température ambiante, des capteurs insensibles aux interférences, ou encore des panneaux photovoltaïques capables de convertir 100 % de l’énergie qu’ils captent, contre 30 % actuellement.
Exciter les électrons
Les couches d’atomes qui constituent ces matériaux sont extrêmement fines, de l’épaisseur d’un atome. Ce qui rend les méthodes conventionnelles d’observation inadaptées. Pour parvenir à les étudier, les chercheurs ont utilisé un laser aux pulsations ultra-rapides, de 100 femtosecondes. Soit un dix-millième… de millionième de seconde.
Ces flashs lumineux, qui alternent entre le rouge et l’infrarouge, ont pour effet d’exciter les électrons du matériau analysé, qui se déplacent et émettent de la lumière. Cette réaction lumineuse, combinée à la quantité d’énergie des électrons, permet de réaliser un instantané extrêmement précis du comportement du matériau.
Cartographier les vallées
Encore davantage : lors de leurs expériences sur un cristal de diséléniure de tungstène, un matériau semi-conducteur, les chercheurs sont parvenus à observer précisément son état quantique. Ils ont notamment pu mesurer le pseudo-spin des électrons qui le compose, un élément utile pour stocker et analyser de l’information quantique.
Ils sont aussi parvenus à effectuer la cartographie du matériau, mesurant précisément l’altitude des "vallées" où se déplacent les électrons. Une information idéale pour comprendre le comportement d’un matériau dans différentes situations. Et pour trouver ses futurs usages.
