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Edwin Cartlidge

Des chercheurs aux États-Unis, en République tchèque et en Espagne ont montré que la lumière piégée à l’intérieur d’un cristal magnétique peut fortement améliorer ses interactions magnéto-optiques, grâce à la formation de quasiparticules appelées excitons-polaritons. [Image : Rezlind Bushati]

L'exploitation de la réponse des matériaux magnétiques à la lumière pourrait potentiellement conduire à toutes sortes de nouvelles technologies, depuis les lasers magnétiques jusqu'aux nouveaux dispositifs de mémoire. Mais les effets magnéto-optiques dans la plupart des matériaux naturels sont faibles et nécessitent des lasers de haute puissance ou des détecteurs optiques sensibles pour être discernés.

Aujourd'hui, les scientifiques ont montré que la réponse magnétique d'un semi-conducteur antiferromagnétique de quelques atomes d'épaisseur seulement peut être ajustée sur une large gamme spectrale (Nature, doi : 10.1038/s41586-023-06275-2). Selon les chercheurs, cela est dû à la formation de ce que l’on appelle des excitons-polaritons, des quasiparticules qui sont à la fois de matière et de lumière.

Les quasiparticules sont généralement réalisées en plaçant un morceau de semi-conducteur exceptionnellement fin au centre d’une cavité optique de taille micrométrique. Les ondes lumineuses résonantes libèrent des électrons dans le matériau, créant ainsi des paires électron-trou appelées excitons. Si les paires qui fusionnent émettent un rayonnement d’une fréquence très similaire à celle de la lumière dans la cavité, les photons et les excitons en viennent à former une entité distincte : un exciton-polariton.

Dans leurs derniers travaux, Vinod Menon du City College de New York, aux États-Unis, et ses collègues ont étudié ce couplage lumière-matière dans des cristaux constitués de plusieurs couches d'un semi-conducteur à base de chrome, de sulfure et de brome, chaque couche n'en contenant que quelques centaines. nanomètres d'épaisseur. Ils ont pu piéger la lumière à l'intérieur des cristaux à la fois avec et sans miroirs à chaque extrémité des échantillons, dans ce dernier cas, en exploitant la constante diélectrique inhabituellement élevée du matériau par rapport à son environnement.

Plutôt qu’une résonance unique – comme on pourrait s’y attendre dans le cas d’un exciton uniquement – ​​les chercheurs ont plutôt observé des signaux optiques à plusieurs fréquences et donc énergies.

Menon et ses collègues ont d'abord démontré les caractéristiques purement optiques des cristaux en leur appliquant une lumière laser verte et en mesurant la photoluminescence. Plutôt qu’une résonance unique – comme on pourrait s’y attendre dans le cas d’un exciton uniquement – ​​les chercheurs ont plutôt observé des signaux optiques à plusieurs fréquences et donc énergies. En combinant ces résultats expérimentaux avec des modèles théoriques, l’équipe a conclu que les émissions doivent être le résultat d’une dispersion par excitons-polaritons.

Avec ce résultat en poche, les chercheurs ont ensuite étudié l’influence des champs magnétiques sur cette dispersion. Comme ils le soulignent dans l’article, un antiferromagnétique est constitué de petites régions de moments magnétiques atomiques ou moléculaires alignés de manière opposée, sans magnétisation nette. Mais lorsqu’il est exposé à un champ magnétique, le matériau devient un ferromagnétique dans lequel tous les moments magnétiques s’alignent dans la même direction. L’effet n’est pas noir et blanc ; les champs intermédiaires provoquent un alignement partiel des moments magnétiques des régions voisines.

Menon et ses collègues ont examiné l'effet d'un champ magnétique externe sur les différentes branches de la dispersion du polariton. La branche la plus énergétique correspond à un exciton pur (qu'ils ont simulé plutôt que mesuré), avec des branches d'énergie progressivement inférieures devenant davantage semblables à des photons. Les chercheurs ont découvert que l’augmentation de la force du champ magnétique réduisait l’énergie de toutes les branches, mais diminuait le plus celle des branches de type exciton.

Alors que les cristaux avec très peu de couches sont transparents à des énergies nettement inférieures à la résonance de l'exciton, le matériau de l'équipe, qui comporte plus de couches, subit des changements majeurs dans la réflectance optique lorsqu'il est soumis à des champs magnétiques, selon les chercheurs.

Cependant, il n’en va pas de même pour la réflectance. Comme pour son énergie, la réflectance d'un polariton pourrait être modifiée par le champ externe. Mais dans ce cas, les chercheurs ont constaté l’effet le plus important avec des polaritons ressemblant davantage à des photons. En revanche, pour les excitons purs, la modulation était minime. En d’autres termes, alors que les cristaux avec très peu de couches sont transparents à des énergies nettement inférieures à la résonance des excitons, le matériau de l’équipe – qui comporte plus de couches – subit des changements majeurs dans la réflectance optique lorsqu’il est soumis à des champs magnétiques, selon les chercheurs.