Exciton

Un exciton est, en physique, une quasi-particule que l'on peut voir comme une paire électron-trou liée par des forces de Coulomb. Une analogie souvent utilisée consiste à comparer l'électron et le trou respectivement à l'électron et au proton d'un atome d'hydrogène. Ce phénomène se produit dans les semi-conducteurs et les isolants.

En 2008, le premier dispositif électronique basé sur des excitons a été démontré, fonctionnant à des températures cryogéniques^[1]. En 2018, l'EPFL met au point un transistor basé sur les excitons qui peut fonctionner à température ambiante^[2]. Cette technique ouvre la voie à une panoplie de nouvelles possibilités en excitonique, branche de la physique appliquée qui, après celle de la photonique et de la spintronique, s’avère des plus prometteuses pour l'électronique du futur^[3].

Le terme est également utilisé en chimie pour désigner des états électroniquement excités des systèmes moléculaires, qui sont délocalisés sur au moins deux chromophores. Cette notion a été popularisée parmi les chimistes par M. Kasha dans les années 1960^[4]. Depuis, de nombreux travaux décrivent des excitons dans des systèmes très variées, allant des agrégats H ou J^[5] jusqu'aux systèmes photosynthétiques^[6] et l'ADN^[7].

Caractéristiques

On distingue généralement deux sortes d'exciton :

• l'exciton de Mott-Wannier, dont le rayon (l'analogue du rayon de Bohr dans l'atome d'hydrogène) est nettement plus grand que le paramètre de maille du matériau cristallin dans lequel il se produit, et
• l'exciton de Frenkel, beaucoup plus petit, qui se produit quand la constante diélectrique du matériau est plus faible.

L'électron et le trou d'un exciton de Mott-Wannier sont séparés d'environ d~100-400Å tandis que cette séparation est de l'ordre de d<5Å pour un exciton de Frenkel. Il existe toutefois un cas intermédiaire que l'on retrouve dans les cristaux moléculaires organiques et où la distance entre l'électron et le trou correspond à une ou deux fois la distance intermoléculaire du plus proche voisin, on nomme cet exciton : exciton à transfert de charge^[8].

Une autre façon de décrire un exciton est de le voir comme étant une onde de polarisation neutre dans le matériau.

Dans les matériaux semi-conducteurs, l'exciton se manifeste par la présence d'un pic d'absorption situé à une énergie plus faible que l'énergie de bande interdite du matériau^[9]. La différence entre les deux énergies est l'énergie de liaison ${\displaystyle E_{l}}$ de l'exciton, et le pic excitonique n'est observable que lorsque l'énergie de liaison n'est pas négligeable devant l'énergie thermique : ${\displaystyle k_{B}T\ll E_{l}}$. Dans un puits quantique, l'énergie de la transition excitonique peut être modifiée par l'application d'un champ électrique (grâce à l'effet Stark), ce qui est à la base d'un modulateur d'intensité lumineuse : le modulateur à électro-absorption.

Historique

Cette section est vide, insuffisamment détaillée ou incomplète. Votre aide est la bienvenue ! Comment faire ?

Le concept d’excitons a été proposé pour la première fois par Yakov Frenkel en 1931^[10], quand il a décrit l’excitation des atomes d’un réseau dans un isolant. Il a proposé que cet état excité soit en mesure de voyager telle une particule à travers le réseau sans transfert de charge apparent.

Références

Voir aussi

Bibliographie

• (en) Christine Middleton, « Dark excitons outnumber bright ones » [« Les excitons sombres sont plus nombreux que les excitons clairs »], Physics Today,‎ 7 janvier 2021 (DOI 10.1063/PT.6.1.20210107a)

Liens externes

• "Excitons : un potentiel très excitant", La Méthode Scientifique, France Culture, 31 octobre 2018

• Portail de la physique