Une antenne inattendue pour les nano-sources de lumière

C'est sur la commutation et la modulation rapides de la lumière que repose, entre autres, la transmission moderne de données, dans laquelle les informations sont envoyées à travers des fibres optiques sous forme de rayons lumineux modulés. Depuis quelques années déjà, les modulateurs de lumière peuvent être miniaturisés et intégrés dans des puces, mais les sources de lumière elles-mêmes - diodes électroluminescentes (LED) ou lasers - posent encore problème aux ingénieurs. Des chercheurs de l'ETH Zurich, sous la direction de Lukas Novotny, chaire de photonique, ont trouvé, en collaboration avec des collègues de l'Empa à Dübendorf et de l'ICFO - Institute of Photonic Sciences à Barcelone, un nouveau mécanisme qui permettrait à l'avenir de fabriquer des sources lumineuses minuscules mais néanmoins efficaces. Les résultats de leurs recherches ont récemment été publiés dans la revue spécialisée page externeMatériaux naturels publié.

Essayer l'inattendu

"Pour y parvenir, nous avons d'abord d? essayer l'inattendu", explique Novotny. Depuis quelques années déjà, lui et ses collaborateurs travaillent sur des mini-sources de lumière basées sur l'effet tunnel. Entre deux électrodes (en l'occurrence d'or et de graphène) séparées par un matériau isolant, les électrons peuvent se transformer en tunnel selon les règles de la mécanique quantique. Dans certaines circonstances - lorsque le processus de tunnelisation est inélastique, c'est-à-dire que l'énergie des électrons n'est pas conservée - de la lumière peut être produite.

"Malheureusement, le rendement de ces sources lumineuses est faible, car le rayonnement est très inefficace", explique le post-doctorant Sotirios Papadopoulos. Le problème du rayonnement est bien connu dans d'autres domaines de la technologie. Dans les téléphones portables, par exemple, les puces qui génèrent les micro-ondes nécessaires à la transmission ne mesurent que quelques millimètres. En revanche, les micro-ondes elles-mêmes ont une longueur d'onde d'environ 20 centimètres et sont donc presque cent fois plus grandes que la puce. Pour combler cette différence de taille, il faut une antenne (qui n'est toutefois plus visible de l'extérieur sur les téléphones modernes). Dans les expériences des chercheurs zurichois, la longueur d'onde de la lumière est également beaucoup plus grande que la source lumineuse.

Semi-conducteurs en dehors du contact tunnel

"On pourrait maintenant penser que nous avons délibérément cherché une solution d'antenne - mais ce n'était pas le cas", explique Papadopoulos. Comme d'autres groupes avant eux, les chercheurs ont étudié des couches d'un atome d'épaisseur de matériaux semi-conducteurs tels que le disulfure de tungstène, qui se trouvent entre les électrodes de la barrière tunnel, afin de produire de la lumière de cette manière. En principe, on pourrait supposer que la position optimale se trouve quelque part entre les deux électrodes, peut-être un peu plus près de l'une que de l'autre. Au lieu de cela, ils ont essayé quelque chose de complètement différent et ont placé le semi-conducteur au-dessus de l'électrode de graphène - donc complètement en dehors du contact du tunnel.

Effet d'antenne surprenant

De manière surprenante, cette position à vrai dire absurde a très bien fonctionné. Les chercheurs ont découvert pourquoi en faisant varier la tension appliquée au contact tunnel et en mesurant le courant à travers le contact tunnel. Ils ont alors observé une résonance nette, qui correspondait à ce que l'on appelle une résonance d'exciton du matériau semi-conducteur. Les excitons sont constitués d'un trou chargé positivement, c'est-à-dire d'un électron manquant, et d'un électron lié par le trou et peuvent être excités, entre autres, par l'irradiation lumineuse. La résonance des excitons a clairement montré que le semi-conducteur n'était pas excité directement par des porteurs de charge - après tout, aucun électron ne le traversait - mais qu'il absorbait l'énergie générée par le contact tunnel et l'émettait ensuite. Il agissait donc un peu comme une antenne.

Application aux nano-sources de lumière

"Cette antenne n'est toutefois pas encore très bonne, car des excitons sombres se forment dans le semi-conducteur et ne diffusent donc pas beaucoup de lumière", admet Novotny : "Si l'on parvient à rendre l'émission de lumière à travers le semi-conducteur plus efficace, il devrait être possible de fabriquer des sources lumineuses dont la taille ne dépasse pas quelques nanomètres, soit mille fois moins que la longueur d'onde de la lumière qu'elles produisent. Comme il n'y a pas d'électrons qui traversent le semi-conducteur de l'antenne, il n'y a pas d'effets indésirables qui se produisent normalement aux interfaces et qui peuvent réduire l'efficacité. "Dans tous les cas, nous avons ici ouvert une porte vers de nouvelles applications", explique Novotny. Essayer l'inattendu a donc valu la peine.