Ce travail se situe à l'écart : presque personne à proximité, le voisin le plus proche à une distance de 0.542. Autour se trouvent des travaux sur les paires de Cooper, les semiconducteurs, la superfluidité et la conductivité thermique. Dans cette direction, on a déjà étudié le refroidissement laser, les commutateurs atomiques de lumière, la supraconductivité sans fil, les ondes anormales dans les superatomes, le son qui recharge les batteries, et les puces où lumière et son fonctionnent ensemble sans interférences. Mais la dynamique ultrarapide des porteurs chauds à l'interface dans les dichalcogénures de métaux de transition restait une zone d'ombre.
Les chercheurs ont exfolié mécaniquement des fines lamelles de MoS₂ et MoSe₂ sur un substrat SiO₂/Si d'une épaisseur de 285 nm. Les contacts Ni/Au pour MoS₂ et Ag pour MoSe₂ ont été déposés par évaporation thermique sous vide afin d'obtenir des interfaces ohmiques sans barrières de Schottky. Pour la lecture électrique, ils ont utilisé l'échantillonnage optoélectronique térahertz sur puce avec un commutateur photoconducteur à base de GaAs cultivé à basse température (LT-GaAs) d'une épaisseur de 2 µm. Un laser femtoseconde de longueur d'onde 680 nm excitait les porteurs à l'interface métal-semiconducteur, et un faisceau sonde synchronisé déclenchait le commutateur pour mesurer le photocourant transitoire avec une résolution subpicoseconde. En complément, ils ont réalisé une spectroscopie pompe-sonde à réflexion différentielle pour relier la réponse électrique à la dynamique des phonons.
À polarisation nulle, les temps de relaxation du photocourant étaient de 48,5 ps pour MoS₂/Au et de 14,2 ps pour MoSe₂/Ag. La transformée de Fourier a donné des bandes passantes intrinsèques de 4,4 GHz et 7,5 GHz respectivement. Le balayage spatial a montré que le temps de relaxation reste presque constant (~44,6 ps) lorsqu'on déplace le spot de pompe de ±4 µm par rapport à l'interface, bien que l'amplitude du photocourant chute exponentiellement. Les mesures sous polarisation appliquée ont révélé deux composantes : la composante lente dépend linéairement de la tension et change de polarité, tandis que la composante rapide est totalement insensible à la polarisation. Ces données excluent le transport par dérive et indiquent une superdiffusion des porteurs chauds, gouvernée par le gradient de température électronique. La comparaison avec la spectroscopie optique a montré que le temps d'extraction électrique coïncide quantitativement avec le temps de diffusion des phonons optiques vers les phonons acoustiques pour toutes les épaisseurs de MoS₂ (5, 13 et 30 nm). Dans MoSe₂, où la différence de masse des atomes est plus faible, le goulot d'étranglement des phonons est moins prononcé et le temps de réponse plus court.
Contrairement aux travaux voisins qui étudient des phénomènes stationnaires ou basse fréquence, ce travail résout pour la première fois directement la dynamique picoseconde de l'extraction des porteurs chauds à l'interface métal-semiconducteur dans les TMDC. Il montre que la vitesse du dispositif est déterminée non pas par la mobilité des porteurs, mais par la durée de vie des phonons chauds, ce qui ouvre un nouveau canal de contrôle des propriétés optoélectroniques via l'ingénierie des phonons. C'est la première vérification expérimentale que le goulot d'étranglement des phonons peut entretenir une superdiffusion pendant des dizaines de picosecondes.
Le sujet pourrait évoluer vers la conception ciblée de spectres phononiques : choix de matériaux avec la différence de masses atomiques souhaitée, création d'hétérostructures avec un écart acoustico-optique contrôlé, utilisation de déformations ou de dopage pour modifier la désintégration anharmonique des phonons. Il est possible d'étudier d'autres matériaux polaires en couches et interfaces avec différents métaux pour optimiser le temps de réponse. L'étude de l'influence de la température et de l'encapsulation sur la dynamique des phonons est également prometteuse.
Les résultats influenceront le développement de photodétecteurs ultrarapides autoalimentés, d'interconnexions optiques et de puces optoélectroniques intégrées à base de matériaux bidimensionnels. Ils sont aussi importants pour la physique fondamentale des processus hors équilibre dans les systèmes de basse dimension.
Les prochaines étapes incluent l'étude systématique d'autres dichalcogénures et contacts métalliques, ainsi que la mesure des spectres phononiques par diffusion inélastique pour vérifier directement les prédictions. Il est également prévu d'étudier l'influence de l'encapsulation et de la température sur le goulot d'étranglement des phonons.
Ce travail se rattache au problème non résolu de la limitation de la vitesse des dispositifs optoélectroniques due à la faible mobilité des porteurs à température ambiante. Il montre que cette limite peut être contournée en utilisant le transport hors équilibre des porteurs chauds, gouverné par la dynamique des phonons. Cela ouvre une nouvelle voie pour surmonter les limitations traditionnelles de l'électronique à semiconducteurs.
Dans MoS₂, les atomes de molybdène sont deux fois plus lourds que les atomes de soufre, ce qui crée une bande interdite dans le spectre des phonons autour de 1 THz. De ce fait, les phonons optiques ne peuvent pas se désintégrer rapidement en phonons acoustiques, et les porteurs chauds restent énergétiques plus longtemps.
L'idée de contrôler les propriétés d'un matériau par les vibrations du réseau fait écho au concept d'« ordinateurs à phonons » de la science-fiction, où l'information est transportée par des ondes thermiques plutôt que par des électrons.