Recherchez sur tout Techno-Science.net
       
Techno-Science.net : Suivez l'actualité des sciences et des technologies, découvrez, commentez
Catégories
Techniques
Sciences
Encore plus...
Techno-Science.net
Photo Mystérieuse

Que représente
cette image ?
Posté par Redbran le Lundi 01/02/2016 à 12:00
Provoquer le phénomène de superradiance
Une émission spontanée des électrons beaucoup plus rapide grâce à la superradiance.

En concevant et en réalisant un puits quantique dont la densité électronique est mille fois plus importante que dans les dispositifs habituels, des physiciens ont accéléré d'un facteur un million (Un million (1 000 000) est l'entier naturel qui suit neuf cent quatre-vingt-dix-neuf mille neuf cent quatre-vingt-dix-neuf (999 999) et qui précède un million un (1 000 001). Il vaut un...) l'efficacité de l'émission spontanée des électrons grâce au phénomène de superradiance.


L'intensité d'émission (en échelle couleur) mesurée en fonction de l'angle et de la fréquence (En physique, la fréquence désigne en général la mesure du nombre de fois qu'un phénomène périodique se reproduit par unité de temps. Ainsi lorsqu'on emploie le mot fréquence sans précision,...) d'émission pour trois échantillons avec niveaux de dopage surfaciques différents (par ordre croissant de gauche à droite). Illustration: CNRS/INP

Le processus élémentaire à l'origine de l'émission de lumière (La lumière est l'ensemble des ondes électromagnétiques visibles par l'œil humain, c'est-à-dire comprises dans des longueurs d'onde de 380nm...) de la quasi-totalité des sources lumineuses est l'émission spontanée: un corpuscule de matière (La matière est la substance qui compose tout corps ayant une réalité tangible. Ses trois états les plus communs sont l'état...) excité (atome, molécule (Une molécule est un assemblage chimique électriquement neutre d'au moins deux atomes, qui peut exister à l'état libre, et qui représente la plus petite quantité...)...) relâche son énergie (Dans le sens commun l'énergie désigne tout ce qui permet d'effectuer un travail, fabriquer de la chaleur, de la lumière, de produire un mouvement.) par l'émission aléatoire d'un photon (En physique des particules, le photon est la particule élémentaire médiatrice de l'interaction électromagnétique. Autrement dit, lorsque deux particules chargées électriquement interagissent, cette interaction se traduit d'un point de vue quantique...). Lorsque plusieurs émetteurs identiques sont regroupés dans un volume (Le volume, en sciences physiques ou mathématiques, est une grandeur qui mesure l'extension d'un objet ou d'une partie de l'espace.) dont la taille est plus petite que la longueur (La longueur d’un objet est la distance entre ses deux extrémités les plus éloignées. Lorsque l’objet est filiforme ou en forme de lacet, sa longueur...) d'onde (Une onde est la propagation d'une perturbation produisant sur son passage une variation réversible des propriétés physiques locales. Elle transporte de l'énergie sans...) émise, ils émettent de concert et bien plus rapidement que lorsqu'ils sont éloignés les uns des autres: c'est la superradiance. Ce phénomène échappait à l'observation (L’observation est l’action de suivi attentif des phénomènes, sans volonté de les modifier, à l’aide de moyens d’enquête et d’étude appropriés. Le plaisir procuré explique la très...) dans les dispositifs de matière condensée où les émetteurs sont tous différents, alors qu'il est observé depuis plusieurs dizaines d'années avec des atomes (Un atome (du grec ατομος, atomos, « que l'on ne peut diviser ») est la plus petite partie d'un corps simple pouvant se combiner chimiquement avec...), identiques par nature.

Des physiciens du laboratoire Matériaux (Un matériau est une matière d'origine naturelle ou artificielle que l'homme façonne pour en faire des objets.) et Phénomènes Quantiques (CNRS/Univ. Paris (Paris est une ville française, capitale de la France et le chef-lieu de la région d’Île-de-France. Cette ville est construite sur une boucle de la Seine, au centre du bassin parisien, entre les confluents de la Marne...) Diderot) viennent de contourner cette difficulté en réalisant un dispositif semi-conducteur (Un semi-conducteur est un matériau qui a les caractéristiques électriques d'un isolant, mais pour lequel la probabilité qu'un électron puisse contribuer à un courant...) pour lequel l'interaction (Une interaction est un échange d'information, d'affects ou d'énergie entre deux agents au sein d'un système. C'est une action réciproque qui suppose l'entrée en contact de sujets.) de Coulomb associée à la très forte densité (La densité ou densité relative d'un corps est le rapport de sa masse volumique à la masse volumique d'un corps pris comme référence. Le corps de référence est l'eau pure à 4 °C pour les...) électronique donne naissance à des modes collectifs, les plasmons. Ces modes rendent ce système assez homogène pour provoquer de la superradiance et permettre à l'émission spontanée d'être le mécanisme dominant pour la dissipation de l'énergie. Les chercheurs ont ainsi observé, dans leur système, un temps (Le temps est un concept développé par l'être humain pour appréhender le changement dans le monde.) de vie (La vie est le nom donné :) de l'émission spontanée de 10 femtosecondes, soit un million de fois plus rapide que le temps d'émission obtenu pour un électron (L'électron est une particule élémentaire de la famille des leptons, et possèdant une charge électrique élémentaire de signe négatif. C'est un des composants de l'atome.) unique, ce qui s'accorde parfaitement avec les prédictions théoriques. Ce travail est publié dans la revue Physical Review Letters.

La difficulté de ce travail a résidé dans la conception et la réalisation d'un dispositif semi-conducteur à très forte densité d'émetteurs élémentaires, soit, ici, d'électrons. Leur idée a été d'utiliser un puits quantique constitué d'une fine couche d'arseniure de gallium et d'indium (InGaAs) prise "en sandwich" entre deux couches d'arseniure d'aluminium (L'aluminium est un élément chimique, de symbole Al et de numéro atomique 13. C’est un élément important sur la Terre avec...) et d'indium (AlInAs). En dopant leur puits quantique avec du silicium (Le silicium est un élément chimique de la famille des cristallogènes, de symbole Si et de numéro atomique 14.) durant sa croissance, les chercheurs ont obtenu une concentration électronique (1019 électrons/cm3) mille fois plus importante que ce qui est habituellement utilisé dans les transistors ou les diodes lasers.

Dans un gaz (Un gaz est un ensemble d'atomes ou de molécules très faiblement liés et quasi-indépendants. Dans l’état gazeux, la matière n'a pas de forme propre ni de volume propre : un gaz tend à occuper tout le...) électronique à si haute concentration, les interactions sont très puissantes et lient les électrons ensemble (En théorie des ensembles, un ensemble désigne intuitivement une collection d’objets (les éléments de l'ensemble), « une...), donnant ainsi naissance à un mode collectif plasmonique dans lequel tous les électrons oscillent en phase (Le mot phase peut avoir plusieurs significations, il employé dans plusieurs domaines et principalement en physique :). Pour exciter ce mode collectif et observer la luminescence (La luminescence est une émission de lumière dite "froide", par opposition à l'incandescence qui elle est chaude.) produite, les chercheurs ont fabriqué et étudié des dispositifs de type transistors, où les contacts source et drain ( Drain est une commune française de Maine-et-Loire ; Drain est également un groupe de musique ; Le drain français est un outil du Drainage,...) permettent d'injecter du courant électrique (Un courant électrique est un déplacement d'ensemble de porteurs de charge électrique, généralement des électrons, au sein d'un...) directement dans la couche d'arseniure de gallium et d'indium dopée et de chauffer les électrons. Les plasmons superradiants sont ainsi excités par transfert thermique (Un transfert de chaleur qu'il convient d'appeler transfert thermique ou transfert par chaleur est un transit d'énergie sous forme microscopie désordonnée.) du gaz électronique chauffé.

L'étude détaillée de la largeur (La largeur d’un objet représente sa dimension perpendiculaire à sa longueur, soit la mesure la plus étroite de sa face. En géométrie plane, la largeur est la plus petite des deux mesures d'un rectangle, l'autre...) de raie d'émission a permis de mettre en évidence l'effet de superradiance, qui montre que cette raie d'émission augmente avec la concentration électronique et l'angle d'émission. Pour certains angles, la contribution radiative est la partie prépondérante de l'élargissement, ce qui rend la mesure du taux d'émission très fiable. L'analyse des données (L’analyse des données est un sous domaine des statistiques qui se préoccupe de la description de données conjointes. On cherche par ces méthodes à donner les liens pouvant exister entre...) révèle que le temps de vie de l'émission spontanée peut être aussi court que 10 femtosecondes. L'émission spontanée devient donc le processus le plus rapide pour dissiper l'énergie qui est fournie au plasmon, beaucoup plus rapide que tous les phénomènes de relaxation non radiatifs caractérisés par des temps de l'ordre de la picoseconde. Cela implique que les plasmons superradiants quittent leur état excité par émission de photons, et pourraient devenir le noyau actif de nouvelles sources de rayonnement (Le rayonnement, synonyme de radiation en physique, désigne le processus d'émission ou de transmission d'énergie impliquant une particule porteuse.) efficaces dans l'infrarouge (Le rayonnement infrarouge (IR) est un rayonnement électromagnétique d'une longueur d'onde supérieure à celle de la lumière visible mais plus courte que celle des...).

Pour plus d'information voir:
Superradiant emission from a collective excitation in a semiconductor
T. Laurent1, Y. Todorov1, A. Vasanelli1, A. Delteil1, C. Sirtori1, I. Sagnes2 et G. Beaudoin2, Physical Review Letters (2015)

Commentez et débattez de cette actualité sur notre forum Techno-Science.net. Vous pouvez également partager cette actualité sur Facebook, Twitter et les autres réseaux sociaux.
Icone partage sur Facebook Icone partage sur Twitter Partager sur Messenger Icone partage sur Delicious Icone partage sur Myspace Flux RSS
Source: CNRS/INP