Des chercheurs ont découvert que des empilements de matériaux bidimensionnels forment naturellement des cavités microscopiques qui piègent la lumière et les électrons, modifiant le comportement quantique sans besoin de miroirs. Cette découverte, observée à l'aide d'un nouveau spectroscope térahertz, pourrait permettre de nouvelles façons de contrôler des états quantiques exotiques. L'étude a été publiée dans Nature Physics.
Les matériaux bidimensionnels, prisés pour des effets comme la supraconductivité et le magnétisme exotique, ont longtemps intrigué les scientifiques cherchant à comprendre et manipuler leurs propriétés quantiques. Une équipe dirigée par James McIver, professeur adjoint de physique à l'Université Columbia, a révélé un mécanisme auparavant invisible dans ces matériaux lors d'expériences menées à l'Institut Max Planck pour la Structure et la Dynamique de la Matière à Hambourg, en Allemagne.
La recherche fait partie du Centre Max Planck-New York sur les Phénomènes Quantiques Hors Équilibre, impliquant des collaborations avec Columbia, l'Institut Flatiron et l'Université Cornell. Pour sonder les matériaux, l'équipe a développé un spectroscope térahertz compact qui réduit les longueurs d'onde de la lumière d'environ 1 millimètre à 3 micromètres, permettant une observation directe des mouvements d'électrons dans des échantillons minces plus fins qu'un cheveu humain.
Des tests initiaux sur le graphène ont révélé des ondes stationnaires inattendues formées par des quasiparticules hybrides lumière-matière connues sous le nom de polaritons plasmoniques. « La lumière peut s'accoupler aux électrons pour former des quasiparticules hybrides lumière-matière. Ces quasiparticules se déplacent comme des ondes et, sous certaines conditions, elles peuvent être confinées, à l'image de l'onde stationnaire sur une corde de guitare », a expliqué Hope Bretscher, postdoctorante au MPSD et co-auteure principale.
L'idée clé : les bords des matériaux agissent naturellement comme des miroirs, créant des cavités qui confinent la lumière et les électrons. Dans les dispositifs multicouches, ces cavités — espacées de dizaines de nanomètres — permettent aux plasmons d'interagir fortement. « Nous avons découvert que les bords du matériau lui-même agissent déjà comme des miroirs », a déclaré Gunda Kipp, doctorante au MPSD et auteure principale.
L'équipe, incluant Marios Michael, a développé une théorie analytique utilisant des paramètres géométriques pour prédire les fréquences des quasiparticules et l'accouplement lumière-matière. Cet outil pourrait aider à concevoir des matériaux pour des phases quantiques spécifiques en variant des facteurs comme la densité de porteurs ou la température. « Nous avons mis au jour une couche cachée de contrôle dans les matériaux quantiques et ouvert un chemin pour façonner les interactions lumière-matière », a déclaré McIver.
Décrite comme fortuite, cette découverte pave la voie à des applications plus larges dans les technologies quantiques. Le spectroscope est désormais utilisé pour explorer d'autres matériaux 2D à Hambourg et à New York.