Le pliage des matériaux 2D leur confère de nouvelles propriétés utiles pour les communications quantiques – nouvelle recherche -Ecologie, science


Le graphène est un matériau composé d’atomes de carbone d’une épaisseur d’une couche, disposés dans une structure en nid d’abeille. Il a été utilisé pour rendre les matériaux plus solides, créer des composants à ultra-haute fréquence pour les communications, améliorer les performances de la batterie et même utilisé pour faire des tests COVID-19. C’est le matériau bidimensionnel par excellence (2D), mais les matériaux 2D sont bien plus que le graphène.

Depuis que le graphène a été isolé pour la première fois en 2004, la recherche s’est étendue à la création d’autres matériaux 2D sans carbone. Il y en a maintenant plusieurs dizaines, et ils sont réputés pour avoir un impact là où le graphène est moins adapté, comme dans les nouveaux transistors et les dispositifs optoélectroniques de nouvelle génération, qui génèrent, détectent et contrôlent la lumière.

Notre étude récente s’est concentré sur une nouvelle forme du matériau 2D disulfure de tungstène (WS2), qui est à la fois 2D et 3D. WS2 est un semi-conducteur – le même que le silicium, que l’on trouve dans presque tous les appareils électroniques. Cependant, contrairement au silicium, WS2 peut exister sous une forme 2D stable. Nous avons organisé le matériau WS2 d’une nouvelle manière pour créer un agencement 3D de feuilles 2D que nous appelons un nanomesh.

Le nanomesh WS2 double la fréquence et divise par deux la longueur d’onde de la lumière laser – changeant ainsi sa couleur – avec une grande efficacité. Cela signifie qu’il pourrait être utile dans les composants pour les communications quantiques utilisant la lumière, où les tentatives «d’écouter» des messages peuvent toujours être détectées. La lumière est importante dans les communications quantiques car des particules de lumière, appelées photons, peuvent être utilisées pour transporter des informations. Lorsque deux photons subissent ce qu’on appelle l’intrication quantique, tout ce qui arrive à l’un d’eux est immédiatement observable dans l’autre, quelle que soit leur distance.

La communication quantique a le potentiel de fournir une communication véritablement sécurisée à travers le monde. En utilisant la propriété bizarre de l’intrication, il est possible de concevoir un système de sorte que lorsqu’un signal est intercepté, l’expéditeur le sache immédiatement.

Un grand nombre des tentatives jusqu’à présent pour créer des communications quantiques ont utilisé la lumière laser. Mais pour ce faire, nous avons besoin d’un moyen efficace de contrôler la lumière. Cela pourrait potentiellement être fait avec des matériaux 2D.

Un circuit imprimé avec des lumières qui en sortent.
Les communications quantiques seraient protégées des pirates.
Shutterstock / Titre sans titre

Confinement bidimensionnel

Dans les matériaux 2D, les électrons peuvent se déplacer dans deux dimensions mais leur mouvement dans la troisième dimension est limité. Ce confinement confère aux matériaux 2D des propriétés intéressantes qui signifient qu’ils sont très prometteurs en tant que dispositifs ultra-minces pour l’informatique, les communications, la détection, l’énergie, l’imagerie et l’informatique quantique. Pour bon nombre de ces applications, les matériaux 2D, qui n’ont qu’un seul atome d’épaisseur, reposent à plat sur une surface de support.

Malheureusement, cependant, la résistance de ces matériaux – qu’ils sont extrêmement minces – est également leur plus grande faiblesse. Cela signifie que lorsqu’ils sont éclairés, la lumière visible ne peut interagir avec eux que sur une épaisseur minime et l’effet résultant est faible. Pour surmonter cela, des chercheurs comme moi commencent à chercher de nouvelles façons d’emballer les matériaux 2D dans des structures 3D complexes.

Nanomesh

Mon doctorant et moi avons créé un réseau 3D palmé de piles denses et distribuées de manière aléatoire, contenant des feuilles 2D pivotées et fusionnées appelées nanomesh. Ses caractéristiques uniques sont le résultat du processus de synthèse spécifique que nous avons développé. Nous avons commencé par cultiver des nanotubes unidimensionnels (feuilles laminées) de WS2, comme un échafaudage. Ceux-ci sont naturellement remplis d’un matériau à partir duquel les feuilles de WS2 pourraient croître aux extrémités des nanotubes et sur leurs côtés, tournées les unes sur les autres et déployées comme un ventilateur. Ces feuilles ont ensuite fusionné les unes avec les autres pour créer des feuilles 2D plus grandes se croisant en 3D pour créer le nanomesh.



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À l’intérieur d’un semi-conducteur, il y a des bandes d’énergie, séparées par un écart d’énergie. Seule la lumière avec une énergie plus grande que l’écart d’énergie peut interagir avec le matériau de manière utile. Si de nouveaux niveaux d’énergie sont introduits à l’intérieur de cet écart d’énergie, le doublement de la fréquence de la lumière qui traverse le matériau est beaucoup plus efficace et peut avoir lieu sur une plus large gamme de longueurs d’onde. C’est exactement ce que notre nanomesh réalise, il change le paysage énergétique – les bandes d’énergie, les écarts d’énergie et les niveaux d’énergie à l’intérieur de l’écart – du matériau.

Les mesures effectuées par mes collègues du groupe photonique ont démontré que le matériau nanomesh convertit efficacement une couleur laser en une autre sur une large palette de couleurs. Comparé aux couches WS2 à plat, le nanomesh est très efficace et répond à une large gamme de longueurs d’onde lumineuses, tout en étant durable et capable de se développer sur de grandes surfaces.

Notre étude est la preuve que l’assemblage de matériaux 2D dans un agencement 3D ne se traduit pas seulement par des matériaux 2D plus épais avec lesquels la lumière interagit plus fortement – cela produit des matériaux aux propriétés entièrement nouvelles.

Le nanomesh que nous avons fabriqué est technologiquement simple à produire à grande échelle et offre une interaction avec la lumière qui peut être réglée. Le matériau pourrait encore évoluer, par exemple en incluant de petites nanoparticules métalliques ou en déposant un second matériau. De tels hybrides offriraient des moyens supplémentaires de changer la lumière laser qui les traverse.

Notre prochain objectif est d’incorporer le nanomesh dans des dispositifs qui transmettent et modifient la lumière et qui peuvent être intégrés à la microélectronique traditionnelle. C’est une voie pour développer des communications optiques quantiques pratiques.

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