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Publié le 9 octobre 2019

Imiter les potentiels de phonons acoustiques en façonnant leur propagation à travers une structure façonnée à l’échelle nanométrique

Dans un travail théorique, une équipe de chercheurs du C2N a proposé une nouvelle approche de nano-ingénierie pour manipuler la façon dont les phonons acoustiques se déplacent à travers une structure périodique. Ils ont démontré que leur platforme phononique permettait l’étude de différents paysages de potentiels.

En contrôlant la propagation du son à l'échelle nanométrique, la nanophononique constitue une plateforme de simulation prometteuse pour l'étude de particules uniques piégées dans des puits quantiques, la dynamique moléculaire interatomique et, en général, les potentiels. Telle une balle qui tombe d'une colline ou les hauts et les bas d’une montagne russe, les potentiels régissent la dynamique de divers systèmes physiques. Les défis à relever pour étudier expérimentalement cette dynamique varieront en fonction de la nature du système. Au contraire des plateformes optiques, les phonons à l'échelle nanométrique se caractérisent par une vitesse de propagation lente et une longueur de cohérence élevée pour des longueurs d'onde extrêmement faibles (~ 10 nm). Cela permet d'étudier la dynamique des ondes dans des systèmes quasi infinis à des échelles de temps bien inférieures à la période d'oscillation. Pour la nanoacoustique, des structures périodiques sont couramment utilisées pour la mise en œuvre de dispositifs tels que les miroirs à phonon et cavités à phonon. Celles-ci sont construites en empilant des paires identiques de couches de différents matériaux semi-conducteurs. Des réalisations antérieures pour simuler la propagation d'ondes cohérentes dans des potentiels unidimensionnels à l'aide de phonons acoustiques à hautes fréquences (gigahertz-térahertz) étaient basées sur des résonateurs nanoacoustiques couplés.

Dans un travail théorique publié dans le journal Physical Review B (choisie comme “editor's suggestion”), une équipe de chercheurs du Centre de nanosciences et de nanotechnologies - C2N (CNRS / Université Paris-Saclay) a proposé une nouvelle stratégie pour mettre en œuvre des potentiels efficaces pour le son. En modifiant la conception d'une structure périodique, ils ont démontré que différents paysages de potentiels pouvaient être reproduits et étudiés.

Le cadre théorique permettant de déterminer de véritables potentiels repose sur la relation de dispersion des phonons dans un super-réseau périodique, c’est-à-dire une structure dont les cellules unitaires sont composées de deux couches (AlAs et GaAs). Au lieu d'empiler des paires de couches identiques, les chercheurs du C2N ont modifié légèrement la configuration des cellules, rompant ainsi la périodicité de la structure. Ce changement léger mais significatif ouvre la porte à façonnage du mode de déplacement des phonons à travers une structure nanométrique. En réglant les paramètres définissant chaque paire de couches de la structure, de véritables potentiels phononiques sont conçus. Pour démontrer la polyvalence de cette approche, les auteurs ont appliqué cette méthode à plusieurs potentiels que l’on peut trouver dans les manuels, et ils ont étudié les modes stationnaires résultants. Cette nouvelle méthode de fabrication donne des résultats à des fréquences extrêmement élevées (des centaines de gigahertz) tout en restant applicables à des techniques de fabrication standard.

Les structures proposées peuvent être étudiées expérimentalement par des techniques tout-optiques telles que la spectroscopie à pompe-sonde et Raman. La plateforme phononique rapportée permet l’étude de potentiels impossibles ou extrêmement difficiles à mesurer avec des analogues optiques ou électriques.

Référence :
Phonon engineering with superlattices: Generalized nanomechanical potentials,
O. Ortíz, M. Esmann, & N. D. Lanzillotti-Kimura
Physical Review B - Editor's suggestion (2019)

DOI: https://doi.org/10.1103/PhysRevB.100.085430

  • Centre de Nanosciences et de Nanotechnologies - C2N (CNRS / Université Paris-Saclay)

Contact :

Figure : Comme les passagers soumis aux hauts et aux bas d'une montagne russe, les phonons peuvent également faire l’objet de potentiels. En modifiant la conception d'une structure périodique, il est démontré que de véritables potentiels phononiques sont réalisables. Copyright C2N / O. Ortiz & al.