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Des matériaux d'épaisseur atomique au LPCNO

Le phénomène de doublage de fréquence est 1000 fois plus intense aux transitions excitoniques dans une monocouche de WSe2.

 

Poursuivant l’intérêt suscité par la mise en évidence du graphène au milieu des années 2000, les scientifiques s’intéressent aujourd’hui à une nouvelle famille de matériaux bidimensionnels. Ces matériaux à base de dichalcogénures de métaux de transition (comme MoS2 ou WSe2), présentent en effet une très forte interaction avec la lumière malgré leur épaisseur infiniment fine (une monocouche atomique) permettant d’envisager leur application dans les dispositifs optiques de demain (cellules photovoltaïques, dispositifs d’affichage sur substrat souple, capteurs miniaturisés …). Dans une étude publiée dans Physical Review Letters et mise en lumière par Nature Photonics, les physiciens du laboratoire LPCNO ont récemment mis en évidence la possibilité d’exalter le phénomène de doublage de fréquence optique dans une monocouche de WSe2 en excitant ce matériau avec un laser à des fréquences bien précises.

 

Le doublage de fréquence est un phénomène qui se traduit par l’émission de lumière à une fréquence double de la fréquence de la lumière d’excitation (voir figure). C’est ce phénomène qui a  longtemps été utilisé pour réaliser les pointeurs laser verts à partir d’un laser infrarouge. Ce phénomène d’optique non-linéaire n’est possible que dans des cristaux possédant une propriété de symétrie particulière : l’absence de la symétrie d’inversion. Cette propriété (que ne possède pas le graphène) est présente dans toutes les monocouches atomiques de dichalcogénures de métaux de transition. En général, ce phénomène reste peu intense, c’est-à-dire qu’une très grande partie de la lumière d’excitation va traverser le matériau sans interagir avec celui-ci. Néanmoins, dans les matériaux dichalcogénures de métaux de transition, les propriétés optiques sont gouvernées par les excitons, ces paires électrons-trous qui restent fortement liées par la force électrostatique même à température ambiante et qui sont responsables de pics de résonance dans le spectre d’absorption à des fréquences bien déterminées. Les physiciens du LPCNO ont d’abord mis en évidence que c’est dans WSe2 que les paires électrons-trous sont le plus fortement liées en mesurant et calculant une énergie de liaison de l’exciton de 600 meV. Ensuite, en focalisant un laser aux fréquences des transitions excitoniques divisée par deux, ils ont pu mesurer un signal doublé en fréquence 1000 fois plus intense que lorsque que le laser excite l’échantillon à une fréquence quelconque. Cette mise en évidence de l’exaltation du phénomène de doublage de fréquence pourrait avoir des conséquences importantes sur l’étude des autres propriétés optiques particulières dans ces matériaux, comme celles liées à la polarisation de la lumière.

 

Contacts : Urbaszek Bernhard urbaszek @ insa-toulouse.fr, Xavier Marie marie @ insa-toulouse.fr, Cédric Robert cerobert @ insa-toulouse.fr