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Allonger la durée de vie de l’orientation de spin électronique avec un champ électrique.

9 décembre 2011

LAAS - UMR 8001 , LPCNO - UMR 5212

Des physiciens de Toulouse - Laboratoire de physique et chimie des nano-objets (CNRS/Insa Toulouse/Univ. Toulouse 3) et Laboratoire d’analyse et d’architecture des systèmes (CNRS/ Univ. Toulouse 3/Insa Toulouse/INP Toulouse) - ont multiplié par cent la durée de vie de l’orientation de spin électronique évoluant à l’intérieur de puits quantiques semi-conducteurs.

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Pour transporter des informations dans un conducteur électrique, on peut faire appel, non pas à la charge électrique des électrons, mais à leur propriété magnétique, c’est-à-dire à l’orientation de l’aimant élémentaire qu’ils portent tous : leur « spin ». Le développement de cette nouvelle approche, dénommée spintronique, requiert que l’orientation du spin des électrons reste inchangée lorsque l’on n’agit pas sur elle. Ce n’est, hélas, en général pas le cas dans les matériaux semi-conducteurs : à cause notamment du champ électrique cristallin et du couplage de spin-orbite, le spin électronique est très rapidement brouillé. Des physiciens de Toulouse ont montré qu’il est possible de ralentir ce brouillage d’un facteur 100 en appliquant sur l’échantillon un champ électrique. Ce travail, publié dans la revue Physical Review Letters constitue un pas important dans le cadre des études de spintronique dans des matériaux semi-conducteurs.

Dans un semi-conducteur très utilisé comme l’Arseniure de Gallium (GaAs), la durée de vie du spin électronique est de l’ordre de quelques centaines de picosecondes, soit moins d’un milliardième de seconde. Les physiciens toulousains ont confiné des électrons dans un puits quantique réalisé dans ce matériau, c’est-à-dire dans une couche épaisse de 15 nanomètres sandwichés entre deux épaisseurs de AlGaAs, et dont l’originalité est d’être orientée selon l’axe de symétrie ternaire de sa matrice cristalline. Après avoir placé le dispositif à basse température (50 K), une impulsion laser ultracourte polarisée circulairement a permis aux chercheurs d’exciter dans ce puits quantique des électrons dont les spins étaient tous orientés dans une même direction. Ils ont ensuite mesuré la polarisation de la lumière émise lorsque ces électrons perdaient leur énergie, et en ont déduit l’évolution de l’orientation du spin électronique. Ils ont ainsi pu constater qu’en appliquant un champ électrique orienté selon l’axe ternaire du puits quantique, il était possible d’allonger la durée de vie de cette orientation de spin jusqu’à 30 nanosecondes, c’est à dire 100 fois plus que sans champ électrique externe. Cette durée, 30 fois plus grande que les fréquences d’horloge typique des microprocesseurs, permet d’envisager des dispositifs spintroniques à semi-conducteurs. L’enjeu est maintenant de démontrer ces effets à température ambiante, ce qui devrait être possible grâce à une optimisation des structures.

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Dynamique de la polarisation de spin des électrons dans un puits quantique de GaAs perpendiculaire à la direction de symétrie ternaire [111] pour différentes tensions appliquées, à T=50K.
Schéma représentant les vecteurs champs magnétiques effectifs dus à l’interaction spin-orbite (ΩBIA : contribution du champ cristallin, ΩSIA : contribution du champ électrique externe, k : impulsion des électrons) et dont la résultante est responsable de la précession du spin S des électrons (et donc de leur dépolarisation) dans un puits quantique de GaAs [111]. Ces vecteurs sont opposés et peuvent se compenser exactement en choisissant une intensité et un signe de champ électrique appropriés.

En savoir plus

Full Electrical Control of the Electron Spin Relaxation in GaAs QuantumWells, A. Balocchi1, Q. H. Duong1, P. Renucci1, B. L. Liu2, C. Fontaine3, T. Amand1, D. Lagarde1, et X. Marie1 PRL 107, 136604 (2011).

Viewpoint : A Well-Rounded Life for an Electron Spin, Michael E. Flatté, Physics 4, 73 (2011)

Contact chercheur

Andrea Balocchi, enseignant-chercheur

Informations complémentaires

1Laboratoire de physique et chimie des nano-objets (LPCNO), UMR 5212

2Beijing National Laboratory for Condensed Matter Physics, Institute of Physics, Chinese Academy of Sciences, People’s Republic of China

3Laboratoire d’analyse et d’architecture des systèmes (LAAS), UPR 8001

Contacts INP

Jean-Michel Courty,
Catherine Dematteis,
Karine Penalba,
inp-communication cnrs-dir.fr