Comment un seul photon engendre une double charge express
La lumière du soleil frappe la matière, et chaque photon éjecte un électron. C'est l'ordre habituel, qui empêche les cellules ordinaires de convertir en électricité plus d'un tiers de l'énergie — le reste se dissipe en chaleur. Mais il existe un processus semblable à une partie de billard où une bille en fracasse deux d'un coup : la multiplication des porteurs (carrier multiplication). Un seul photon engendre non pas une, mais plusieurs particules chargées.
Jusqu'ici, une multiplication idéale n'avait jamais été atteinte : les porteurs générés perdaient rapidement de l'énergie en heurtant le réseau atomique, comme des coureurs trébuchant sur des bosses. Les auteurs de l'étude ont pris une monocouche de diséléniure de molybdène — un film d'un atome d'épaisseur — et ont suivi le mouvement des porteurs chauds à l'aide d'impulsions laser ultracourtes (spectroscopie ultrarapide). Il s'est avéré que dans une couche aussi mince, la diffusion disparaît presque : les particules volent librement, sans gaspiller d'énergie en collisions. Parallèlement, la structure même du matériau — ce qu'on appelle l'imbrication des bandes — ouvre de nombreux canaux pour la création de paires.
La comparaison avec un cristal épais du même composé a souligné la différence : en volume, la multiplication était bien moins efficace. Dans la monocouche, en revanche, l'efficacité a atteint la limite théorique imposée uniquement par la conservation de l'énergie et de la quantité de mouvement. Ce n'est pas simplement un record de laboratoire — le matériau pourrait servir de base à de nouvelles cellules solaires qui contournent le plafond classique de Shockley–Queisser et nous rapprochent de batteries où presque chaque photon donne tout ce qu'il a.
Une monocouche de MoSe2 peut être obtenue en exfoliant simplement un cristal avec du ruban adhésif — la même méthode qui a permis d'obtenir le premier graphène en 2004.
Dans le roman « Solaris » de Stanislas Lem, l'océan de la planète transforme le rayonnement avec une efficacité inconcevable — la multiplication des porteurs dans une monocouche évoque un pas vers une telle énergétique fantastique.