Des tambours d’épaisseur atomique

04 Décembre 2020
Des physiciens ont mis en évidence le couplage par contrainte mécanique entre les vibration quantifiées (phonons optiques) et les oscillations macroscopiques d’une membrane d’épaisseur atomique, constituée d’une monocouche de graphène. Ce travail fondamental est prometteur pour le développement de systèmes 2D dans lesquels les interactions lumière-matière sont contrôlées mécaniquement.

Mesurer les contraintes induites par les vibrations d’une membrane d’épaisseur atomique

Beaucoup d’avancées en photonique, optoélectronique et optomécanique ont été rendues possibles par l’amélioration de la qualité de systèmes de basse dimensionnalité. Les matériaux bidimensionnels (2D, par exemple les dichalcogénures de métaux de transition semi-conducteurs (TMD) et le graphène) en sont une bonne illustration. Ces systèmes présentent des propriétés électroniques remarquables et interagissent fortement avec la lumière. En même temps, les matériaux 2D sont des systèmes nanomécaniques extrêmement légers et sensibles, dont les propriétés sont contrôlables par une contrainte externe. Bien qu’une variété de dispositifs optoélectroniques et de résonateurs nanomécaniques fabriqués à partir de matériaux 2D aient été présentés, les liens subtils entre les propriétés microscopiques (par exemple, excitons, phonons, couplage entre couches) des matériaux 2D et leurs performances mécaniques macroscopiques demeurent méconnus.

Dans ce travail, des physiciens de l’Université de Strasbourg et du CNRS, en collaboration avec l’Université de Nottingham (UK), démontrent le couplage par contrainte, entre les degrés de liberté microscopiques d’un résonateur 2D (ici les phonons, c’est-à-dire les vibrations quantifiées du registre atomique 2D) et ses modes de vibration macroscopiques en flexion. Ce travail a été publié dans la revue Nature Communications.

Pour leur projet, les physiciens ont utilisé des « peaux de tambour » circulaires fabriquées à partir de monocouches de graphène. Ces membranes, épaisses d’un seul atome, sont suspendues au-dessus de cavités micrométriques et mises en mouvement par couplage capacitif, à l’aide d’une tension sinusoïdale dont la fréquence est proche de celle d’une résonance mécanique, comme c’est le cas dans de nombreux « systèmes nano-électromécaniques » (NEMS). La réponse mécanique en fréquence de ces tambours est mesurée par une méthode d’interférométrie optique, qui permet de détecter des déplacements de quelques picomètres seulement (Fig. 1a). Lorsque la fréquence de l’actuation correspond à une fréquence de résonance du tambour (généralement quelques 107 Hz), nous observons un déplacement maximal comme dans tout oscillateur forcé. La spécificité de ce travail est d’effectuer, in operando, une mesure optique de la fréquence du phonon optique en utilisant la spectroscopie de diffusion de la lumière inélastique (une technique plus connue sous le nom de spectroscopie Raman). Les phonons optiques du graphène ont des fréquences bien définies proches de 40 THz, c’est-à-dire six ordres de grandeur plus élevés que la fréquence de résonance.

En pratique, un même faisceau laser est utilisé pour la lecture interférométrique du déplacement du graphène et simultanément pour sonder localement la fréquence de ses phonons optiques avec une résolution spatiale d’environ 1µm, limitée par la taille du faisceau laser. Les phonons optiques « émis » par le graphène donnent lieu à des pics nettement visibles dans le spectre de la lumière rétrodiffusée dont le décalage spectral par rapport au laser entrant indique directement leur fréquence (Fig. 1b). Les vibrations résonantes du graphène entraînent une contrainte de tension, c’est-à-dire une augmentation du paramètre de maille qui se traduit par une baisse bien définie de la fréquence des phonons. En régime linéaire (c’est-à-dire lorsque les vibrations sont harmoniques, avec de faibles amplitudes, proches de 1 nm), le niveau de contrainte induite dynamiquement se situe sous la limite de détection de notre dispositif. Cependant, lorsque le graphène est mis en mouvement avec par des forces plus intenses, ses oscillations deviennent non-linéaires et il est possible de mesurer des déformations induites dynamiquement jusqu’à 400 ppm (ou 0,04 %). Ce niveau de contrainte est anormalement élevé car il dépasse la déformation à laquelle on pourrait s’attendre dans des oscillations harmoniques de même amplitude. Ce résultat étonnant apporte un nouvel éclairage sur les non-linéarités mécaniques des matériaux 2D, car il pourrait traduire l’existence de champs de contrainte localisés qui se développent en régime non-linéaire. Bien que ces champs de contrainte n’aient pu être résolus dans cette étude, d’autres mesures résolues spatialement et résolues en phase (c’est-à-dire stroboscopiques) sur des résonateurs optimisés pourront aider à répondre à cette question importante.

Plus généralement, le couplage par contraintes dans les matériaux 2D contribue au développement de l’optomécanique hybride, un thème émergent qui consiste à manipuler des degrés de liberté quantiques (excitons, spins, pseudo-spins,…) couplés à des modes mécaniques macroscopiques. En effet, les nanorésonateurs fabriqués à partir du matériaux 2D possèdent des degrés de liberté quantiques « intégrés », ce qui favorise le couplage par contraintes, en comparaison à des systèmes plus volumineux, formés par exemple d’un émetteur quantique individuel implanté dans un système nanomécanique. L’accordabilité des caractéristiques d’émission ou de diffusion de lumière des matériaux 2D offre des pistes pour réaliser une nouvelle classe de systèmes opto-électromécaniques d’épaisseur atomique, qui seront également des sondes ultra-sensibles de leur environnement nanométrique.

a – Schéma de notre expérience combinant l’actuation électrostatique, la lecture optique du déplacement et la spectroscopie micro-Raman d’un tambour circulaire en graphène. La membrane de graphène est représentée par la ligne pointillée gris foncé ; ses vibrations sont esquissées en gris clair. M, DM, APD représentent respectivement un miroir, un miroir dichroïque, une photodiode à avalanche. Encart supérieur : image optique d’une monocouche de graphène suspendue (1L) contactée par une électrode en Titane/Or (barre d’échelle : 2 μm). b – Spectres Raman enregistrés à une fréquence d’actuation non résonante de Ω/2π = 32 MHz (symboles ouverts) et sous actuation non-linéaire résonante à 34.3 MHz (symboles pleins, spectre retourné verticalement pour plus de clarté). Les modes Raman G et 2D correspondent aux déplacements atomiques indiqués dans l’encart inférieur en a. c – (haut) Valeur efficace (RMS) du déplacement du graphène (même échantillon qu’en b) présentant un comportement hystérétique typique d’un régime non-linéaire. (bas) Fréquence du mode Raman 2D en fonction de la fréquence d’actuation. La contrainte locale induite dynamiquement est déduite de la variation de la fréquence du mode 2D et est anormalement élevée.

Pour plus d’informations :

Zhang, X., Makles, K., Colombier, L. et al., Dynamically-enhanced strain in atomically thin resonators. Nature Communications 11, 5526 (2020). https://www.nature.com/articles/s41467-020-19261-3

Preprint : https://arxiv.org/abs/2003.11167v3

Contact : Stéphane Berciaud, Professeur à l’Université de Strasbourg.

Xin Zhang, premier auteur (1e à g.) Stéphane Berciaud (3e à partir de la g.) et Kevin Makles, deuxième auteur, (à d.)
Lire aussi l’article publié sur le site « L’Actualité de la Recherche » de l’Université de Strasbourg :
https://recherche.unistra.fr/index.php?id=33035