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.
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.
