Une impulsion laser frappe une fine couche de MoS₂, et des électrons porteurs d'un surplus d'énergie y apparaissent. Ces porteurs chauds ressemblent à des coureurs partis à vive allure, mais qui, sur le chemin de l'arrivée, devront perdre tout leur élan à force de heurter le réseau cristallin. La question qui tourmentait les ingénieurs est simple : peut-on extraire ces coureurs du matériau avant qu'ils ne refroidissent ? Les chercheurs de Nankin ont apporté une réponse inattendue : ici, la vitesse n'est pas dictée par le coureur lui-même, mais par la rapidité avec laquelle le réseau lui soutire son énergie.
La clé de l'énigme réside dans la structure du cristal. Dans le MoS₂, les atomes de molybdène sont deux fois plus lourds que les atomes de soufre, et cet écart de masse fait apparaître une bande interdite d'environ 1 THz dans le spectre des vibrations du réseau. Les phonons optiques, c'est-à-dire les vibrations de haute fréquence, ne peuvent pas se désintégrer rapidement en phonons acoustiques, de basse fréquence. L'énergie reste coincée dans un passage étroit, comme une foule à la sortie d'un stade : tout le monde veut passer, mais il n'y a qu'une seule ouverture. C'est ce qu'on appelle le goulot d'étranglement des phonons. Tant que les phonons s'attroupent à la sortie, ils ne peuvent pas retirer d'énergie aux électrons, et ceux-ci restent chauds plus longtemps.
Les résultats ont été éloquents. Le temps de relaxation du photocourant s'est établi à 48,5 picosecondes pour le MoS₂ et à seulement 14,2 picosecondes pour le MoSe₂. Lorsqu'on déplaçait la tache de pompage de plusieurs micromètres par rapport au contact, le temps de réponse ne changeait presque pas, même si le signal lui-même s'atténuait exponentiellement. La tension appliquée non plus n'accélérait ni ne ralentissait la composante rapide de la réponse. Tout cela signifie que les porteurs ne dérivent pas sous l'effet du champ, mais se propagent grâce au gradient de température électronique, comme l'eau qui s'étale sur une poêle chaude. Ce type de mouvement est appelé superdiffusion.
La comparaison la plus importante a été faite avec les mesures optiques. Le temps d'extraction électrique a coïncidé quantitativement avec le temps de diffusion des phonons optiques vers les phonons acoustiques pour toutes les épaisseurs de MoS₂ étudiées : 5, 13 et 30 nanomètres. Dans le MoSe₂, où les masses des atomes de molybdène et de sélénium diffèrent moins, le goulot d'étranglement est plus large, les phonons se désintègrent plus vite, et la réponse est plus courte. C'est une preuve expérimentale directe : la vitesse du dispositif est déterminée non pas par la mobilité des porteurs, mais par la durée de vie des phonons chauds.
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.