Dans les nanotubes de carbone et le graphène, la lumière interagit avec la matière
Aujourd'hui, grâce à une connaissance fondamentale des atomes, des molécules et de l'optique, les scientifiques peuvent relever des défis qui semblaient insurmontables il y a encore quelques décennies: utiliser la lumière pour contrôler précisément les atomes, les molécules et les électrons. Par ailleurs, cette possibilité de contrôler des systèmes quantiques a ouvert la voie à des applications révolutionnaires. Le projet QOCAN (Quantum optics of carbon nanostructures), financé par l'UE, a regroupé quatre équipes de scientifiques du Brésil, d'Islande, de Russie et du Royaume-Uni en vue de créer une base théorique permettant d'utiliser des nanostructures de carbone pour fabriquer des nanodispositifs d'optoélectronique. Au cœur du projet figure une collaboration entre des scientifiques provenant de deux communautés de recherche distinctes. Quand la lumière quantique rencontre la matière condensée «La nouvelle tendance est une collaboration entre la communauté spécialisée dans la matière condensée, axée sur les nanostructures, et celle spécialisée en optique quantique, qui travaille traditionnellement sur les systèmes atomiques et moléculaires», faisait remarquer le professeur Misha Portnoi, de l'Université d'Exeter au Royaume-Uni, coordinateur du projet QOCAN. «Suivant cette tendance, l'équipe de QOCAN a réussi à surmonter des défis majeurs dans les secteurs des nanosciences et des nanotechnologies. Elle a fourni à la communauté des chercheurs un nouveau langage scientifique pour décrire les phénomènes optiques quantiques dans les nanostructures à base de carbone», a-t-il ajouté. Les théories de l'électrodynamique quantique Les scientifiques du projet QOCAN ont étudié les interactions entre les nanostructures à base de carbone et la lumière quantique, ce qui leur a permis de développer de nouvelles théories de l'électrodynamique quantique. Leurs recherches se sont centrées sur les nanotubes de carbone et le graphène, car ils présentent d'étonnantes propriétés électriques, magnétiques et optiques. L'électrodynamique quantique a apporté le cadre théorique nécessaire pour pouvoir décrire l'interaction de la lumière et de la matière, ainsi que celle entre les particules chargées. «Nous avons élaboré la théorie du graphène soumis à un champ électromagnétique quantifié et de la modification induite par un champ de son spectre d'énergie des électrons», explique le Dr Portnoi. Il s'agit d'un développement majeur car l'approche théorique générique ainsi développée s'applique à la fois au graphène et aux semi-conducteurs. Elle permet l'unification des descriptions quantiques et classiques de l'interaction lumière-matière. Par ailleurs, les scientifiques de QOCAN ont développé la théorie des propriétés électroniques des nanotubes de carbone en présence de lumière quantique. Ils ont également proposé de nouvelles théories concernant l'électrodynamique des dispositifs à base de nanotubes de carbone. Ils ont d'autre part intégré de façon théorique des nanotubes de carbone dans une microcavité et étudié les modifications de ses états électroniques, dues aux fluctuations du champ électromagnétique. Dans la gamme de fréquences du térahertz Le Dr Portnoi conclut que QOCAN a débouché sur «plusieurs propositions pour utiliser les propriétés électroniques des nanostructures à base de carbone dans l'optoélectronique térahertz. En plus de la formulation d'une théorie sur la réponse des nanotubes à base de carbone à la lumière quantique générée par laser dans la gamme de fréquences térahertz, nous avons développé de nouvelles descriptions théoriques de détecteurs térahertz.» Des détecteurs à base de nanotubes de carbone pourraient considérablement améliorer des technologies telles que l'imagerie médicale, le contrôle des passagers en aéroport et l'inspection des aliments. La gamme des fréquences térahertz, qui se situe entre des fréquences plus conventionnelles utilisées respectivement en électronique d'une part et en optique d'autre part, présente un grand potentiel ainsi que de nouveaux défis passionnants pour les scientifiques. Dans la bande de fréquences du térahertz, l'énergie photonique est inférieure à celle de la lumière visible, et il existe peu de matériaux capables d'absorber efficacement ces ondes pour les convertir en un signal électronique. Les résultats de QOCAN suggèrent que les nanotubes de carbone pourraient permettre de combler cette lacune technique. Le succès de cette initiative de recherche purement théorique s'est traduit par 39 publications dans de prestigieuses revues à comité de lecture comme Physical Review A & B, ainsi dans des minutes de conférences internationales.
Mots‑clés
Nanotubes de carbone, QOCAN, optoélectronique, nanosciences, graphène
