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Les recherches de Luiz Tizei, chercheur au Laboratoire de physique des solides1 sont dédiées à la manipulation et à la mesure des propriétés électroniques et optiques de matériaux à l'échelle nanométrique. Pour la première fois en France, le chercheur a mis au point un système novateur combinant deux techniques de microscopie et de spectroscopie électronique pour mieux contrôler des matériaux excités par la lumière dans un microscope électronique. Outre le stockage d’information, ces recherches offrent également des perspectives nouvelles à l’industrie électronique.
Luiz Tizei se spécialise dans la microscopie électronique et la spectroscopie sur échantillons de nanosystèmes, dès son arrivée au LPS, en 2010. Au sein de l’équipe de Microscopie électronique – STEM, reconnue pour son expertise dans l'étude de l'absorption d'énergie, le chercheur contribue à l’amélioration d’un système qui permet à la fois de collecter et d’injecter de la lumière dans un microscope électronique en transmission (MEB).
« L'unicité de ce microscope réside dans sa capacité à combiner la spectroscopie de perte d'énergie des électrons (electron energy loss spectroscopy- EELS)2 à haute résolution avec l'irradiation de l'échantillon par un faisceau laser, développe Luiz Tizei. D’une part, nous observons la structure du matériau, atome par atome, en balayant le faisceau sur l'échantillon. D’autre part, nous mesurons l'énergie perdue par les électrons après leur passage à travers l'échantillon en utilisant la spectroscopie de pertes d'énergie des électrons. Celles-ci sont très faibles comparées à l'énergie initiale du faisceau (qui est de l'ordre de 100 000 eV), mais leur analyse fournit des informations sur la matière. »
SpinE : combiner électrons et photons
Fort de cette expertise, Luiz Tizei poursuit l’objectif de perfectionner ce système dans le but d’étudier le comportement des matériaux des milliers de fois plus petits qu’un grain de sable et pousser ainsi la limite imposée par la diffraction de la lumière. Pour ce faire, son idée est d’utiliser des faisceaux d’électrons pour sonder des matériaux excités par la lumière dans un microscope électronique. C’est le point de départ du projet Spin-E (2020-2025) – Préparation et mesure d'états de spin-valley à l'échelle nanométrique à l'aide d'électrons rapides et de photons.
Ce projet « jeune chercheur » a été financé par l’Agence nationale de la recherche (ANR), dont l’objectif est de soutenir l’excellence de la recherche et l’innovation française sur le plan national, européen et international. Pendant cinq ans, Luiz Tizei et son équipe, composée d’un doctorant et d’un post-doctorant, met au point une technologie novatrice, en collaboration avec des chercheurs et ingénieurs CNRS du laboratoire.
Créer des états « spin-vallée »
L'équipe travaille sur des monocouches de dichalcogénures, des métaux semi-conducteurs lamellaires utilisés pour l’optoélectronique et la spintronique. « Ces matériaux sont utilisés en raison de leur finesse atomique et leur structure cristalline particulière, ce qui nous donne accès à des excitations manipulables avec la lumière polarisée », poursuit Luiz Tizei. Dans ces monocouches le chercheur crée, en collaboration avec deux équipes américaines3 des points quantiques 2D. « Leur taille est en effet de l'ordre de 10 nanomètres, soit 10 000 fois plus petit que l'épaisseur d'un cheveu, nous permettant ainsi de modifier les propriétés d’émission et d’absorption d’énergie. La lumière polarisée excite les monocouches de ces points quantiques, puis on observe leurs émissions de photons. »
Les scientifiques créent ainsi des états excités, appelés états « spin-vallée », qui connectent le spin de l'électron aux « vallées » du spectre d'énergie du matériau en les irradiant avec un faisceau laser. « Ces états peuvent être créés et manipulés par de la lumière polarisée, car ils absorbent différemment les photons en fonction de leur polarisation. Leur cohérence, c'est-à-dire leur capacité à conserver leur information, est une propriété clé pour le stockage d'information ou le calcul quantique », fait remarquer Luiz Tizei.
Des découvertes inattendues et prometteuses
Luiz Tizei est le premier à utiliser le détecteur Timepix, implémenté par Yves Auad, pour corréler la perte d'énergie de chaque électron avec l'émission de lumière. Ce détecteur, initialement développé pour la physique des particules, permet de détecter les électrons individuellement avec une résolution temporelle d'une nanoseconde. « En étudiant l'influence du laser sur les phonons (vibrations du réseau atomique) et les plasmons (oscillations collectives des électrons), nous avons découvert incidemment que leurs spectres d'énergie sont modifiés par le chauffage local de l'échantillon, confirme Luiz Tizei. Nous pouvons donc mesurer la température d'un objet à l'échelle nanométrique avec une résolution temporelle de l’échelle d’une nanoseconde. » Le chercheur espère atteindre prochainement les picosecondes4. « Cette avancée technique est si novatrice qu'elle a attiré l'attention de la communauté scientifique internationale, inspirant d'autres chercheurs à la reproduire. »
Ces recherches contribuent à explorer un problème fondamental pour l'industrie électronique moderne, pour laquelle la gestion de la chaleur des composants de plus en plus petits est un enjeu majeur. Le prochain projet ANR, coordonné par Luiz Tizei en collaboration avec d'autres laboratoires français, visera donc à étudier le transport thermique sur des échelles de temps encore plus courtes.
1 LPS (CNRS/Université Paris-Saclay) à Orsay
2 Technique d'analyse dans laquelle le matériau à analyser est exposé à un faisceau d'électrons dont l'énergie cinétique est située dans une plage relativement étroite.
3 PennState University
4 Un millième de milliardième de seconde