Groupe Nanostructures et Systèmes Quantiques

Axe principal: EDS
Axes secondaires :
Groupe Nanostructures et Systèmes Quantiques
http://www.insp.jussieu.fr/-Nanostructures-et-systemes-.html
Institut des NanoSciences deParis
http://www.insp.jussieu.fr/
Contact C’nano de l’équipe
Perez Florent
Responsable d’équipe :
Catherine GOURDON
[e-mail]
Membres permanents de l’équipe :
Catherine GOURDON
[e-mail]
Laura THEVENARD
[e-mail]
Florent PEREZ
[email protected]eu.fr
Maria CHAMARRO
[email protected].fr
Benoit EBLE
[email protected]eu.fr
Christophe TESTELIN
[e-mail]
Bernard JUSSERAND
[e-mail]
Frederic BERNARDOT
[email protected].fr
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• Activités scientifiques de l’équipe :
Les recherches réalisées dans cette équipe se situent en grande partie dans la mouvance de
l’information quantique, de l’électronique de spin et de l’électronique moléculaire.
Elles sont construites autour de l’étude des propriétés électroniques d’objets quantiques de
taille nanométrique : puits quantiques (dopés, semi-magnétiques), fils quantiques
inorganiques et organiques (chaînes de polymères), boîtes quantiques et nanocristaux. Les
effets de confinement des phonons dans des cavités spécifiques constituent également un
nouveau domaine d’étude.
Un des objectifs est d’étudier et de contrôler à l’échelle de nano-objets individuels les
propriétés de cohérence spatiale et temporelle des excitations électroniques. Les propriétés de
cohérence d’états quantiques bien définis de spin ou de charge seront mises à profit pour
démontrer la manipulation et, à plus long terme, l’intrication de deux bits quantiques, étape
indispensable d’une ébauche de calcul quantique.
Pour l’électronique de spin, la compréhension des phénomènes liés au spin dans des
nanostructures dopées, magnétiques ou non, est fondamentale pour utiliser le spin comme
vecteur de l’information. Les excitations électroniques et vibrationnelles dans des
nanostructures bi- et unidimensionnelles de semiconducteurs sont aussi explorées par
spectroscopie Raman électronique : étude en champ magnétique des excitations collectives et
individuelles de spin de gaz d’électrons à deux dimensions polarisés, des excitations
électroniques dans des puits et fils quantiques, des vibrations acoustiques et des magnons dans
des superréseaux et des nanoparticules.
Les semiconducteurs ferromagnétiques, dans lesquels le ferromagnétisme est médié par les
porteurs, offrent de nouvelles possibilités de manipulation du spin à différentes échelles
spatiales et temporelles. Différentes voies sont explorées : la manipulation par des champs
magnétiques qui conduit à l’étude de la dynamique de parois magnétiques et la manipulation
ultrarapide de l’aimantation par des impulsions laser.
La réflexion théorique sur la nature exacte des bosons-composites est largement développée
dans l’équipe. Une nouvelle théorie à N corps à la représentation diagrammatique a été mise
au point. Les implications pour l’information quantique sont en discussion.
Un effort particulier a été entrepris pour développer de nouvelles expériences
complémentaires très compétitives : spectroscopie/imagerie de nano-objets uniques,
techniques pompe-sonde résolue en temps, microscopie Faraday, Raman électronique sous
champ magnétique résolu en angle.

• Recherche(s) et résultat(s) obtenu(s) dans les domaines d’actions des
nanosciences :
Orientation inattendue de domaines magnétiques anisotropes
Cette image montre la position de la
paroi d’un domaine carré avec une
aimantation « up » dans un champ
« up » (en blanc) et de ce même
domaine avec une aimantation
« down » dans un champ « down » (en
noir). Suivant le sens du champ on
observe bien l’orientation des
diagonales des carrés à +π/8 ou –π/8
des axes d’anisotropie (axes <110>
en tirets). L’orientation des domaines
carrés est donc bien une propriété
intrinsèque et ne résulte pas de défauts
qui piègeraient les parois de manière
anisotrope.
Croissance de domaines magnétiques
simulée par une méthode de dynamique
de contour.
En utilisant des semiconducteurs ferromagnétiques
dont les propriétés d’anisotropie magnétique sont
facilement modulables, nous avons mis en évidence
pour la première fois, une orientation surprenante de
domaines magnétiques anisotropes résultant de la
dynamique complexe d’une paroi magnétique.
L’anisotropie joue un rôle important dans la
formation de domaines pour des systèmes bi-
dimensionnels variés. Pour les films magnétiques, la
dynamique de parois est complexe en raison de la
nature vectorielle de l’aimantation. Les
semiconducteurs ferromagnétiques, objets de cette
étude, offrent la possibilité de faire varier la
symétrie de l’anisotropie magnétique. De plus, la
comparaison avec les modèles de propagation de
paroi est facilitée par la faible densité de centres de
piégeage des parois. Enfin, l’étude de la propagation
de parois dans les micro et nano-rubans est un enjeu
important dans le cadre du transport de
l’information.
Les semiconducteurs ferromagnétiques dilués
comme GaMnAs, dans lequel quelques pourcents
d’atomes de manganèse sont substitués au gallium,
sont activement étudiés pour valider des concepts
fondamentaux d’intérêt pour l’électronique de spin.
Leurs propriétés d’anisotropie magnétique sont
modulables, en raison du caractère particulier du
ferromagnétisme. Celui-ci résulte d’une interaction
d’échange entre ions magnétiques localisés et
porteurs délocalisés. La structure de la bande de
valence, sa modification par les contraintes, la
densité de porteurs, la concentration en manganèse
et la température vont définir l’amplitude respective
des contributions uniaxiale et biaxiale de
l’anisotropie.
Les domaines magnétiques sont visualisés par
microscopie Kerr, qui utilise la rotation de la
polarisation linéaire de la lumière lors de la réflexion
sur un film à aimantation perpendiculaire. On obtient
ainsi un contraste d’intensité entre les domaines

d’aimantation «
up
» et «
down
»
. Pour atteindre le
régime hydrodynamique, où la propagation de paroi
n’est plus gouvernée par les défauts piégeants, on
utilise une technique d’impulsion de champ, pour
plus de détail : A. Dourlat et al. Phys. Rev. B 78,
161303 (R) (2008).
Des domaines magnétiques de forme carrée sont
observés dans une certaine gamme de champ
magnétique. L’orientation des côtés, à π/8 des axes
d’anisotropie, est surprenante car elle ne correspond
pas au minimum d’énergie d’une paroi statique. Nos
simulations incluant la symétrie tétragonale de
l’anisotropie magnétique reproduisent bien la forme
mais surtout l’orientation des domaines, ainsi que
leur domaine d’existence en champ. Ces résultats
mettent en évidence le rôle clé de la nature
vectorielle du paramètre d’ordre dans la
dynamique des domaines ferromagnétiques. Ils
sont également importants pour l’étude de la
propagation de parois de domaines dans les micro et
nano-rubans ferromagnétiques dans le cadre du
transport de l’information.
Pour en savoir plus
C. Gourdon, V. Jeudy, A. Cébers, A. Dourlat, Kh.
Khazen, and A. Lemaître, Phys. Rev. B 80,
161202(R) (2009)

La cinétique des électrons limite la propagation du spin
Fig 1 : Spectres Raman obtenus à 2 Tesla
en faisant varier le vecteur d’onde q
transmis au gaz d’électrons. Pour chaque
q, le spectromètre mesure l’énergie d’un
photon diffusé, décalée de l’énergie de
l’onde de spin, « Raman shift », par
rapport au photon incident.
Fig 2 : Dispersion de l’onde spin
reconstruite à partir des spectres de la
Fig.1. (b) et (c) Largeur de raie : elle suit
une loi du type η=η
0
+ η
2
q
2
caractéristique. Cette loi est également
présente dans l’échantillon H qui ne
possède pas de dopage Manganèse : elle
n’est donc pas causée par les impuretés
M
n
.
Utiliser le spin pour transporter l’information est
une option prometteuse sur laquelle misent les
scientifiques. Pour y parvenir, ils recourent le plus
souvent à un courant polarisé en spin : une
technique où charge et spin ne sont pas découplés,
ce qui est source de dissipation. C’est pourquoi des
chercheurs de l’équipe « Nanostructures et systèmes
quantiques » se sont penchés sur une alternative :
utiliser des ondes de spin comme vecteur de
l’information. Mais les courants portés par ces
ondes sont-ils si purs en spin ? Cette équipe
démontre le contraire dans un conducteur standard.
Aujourd’hui, pour manipuler de l’information,
l’industrie utilise communément le courant polarisé
en spin, obtenu dans un conducteur ferromagnétique,
lorsque celui-ci est soumis à un champ électrique.
Mais deux problèmes surgissent : ce courant déplace
la charge, en même temps que le spin, ce qui
échauffe le système par effet Joule ; le courant
polarisé est fortement ralenti par la force de
Coulomb, qui agit comme une force de friction,
entre porteurs de spins opposés. Les ondes de spin
pourraient être la solution alternative. Certes,
elles sont plus difficiles à manipuler que des
courants. Pour les exciter, il faut agir directement
sur le spin. Cela peut se faire avec un champ
magnétique tournant (peu intégrable) ou bien
avec des faisceaux lasers. Mais en tant
qu’excitation transverse de la matière, elles
semblent découplées des degrés longitudinaux de
charge ; le courant qu’elles portent ne déplacerait
donc pas de charge, seulement le spin. Il n’y
aurait plus ni dissipation Joule, ni friction
Coulombienne.
Une question demeure toutefois : sont-elles si pures
en spin ?
Lorsque les ondes existent dans un isolant,
indéniablement, oui. Mais dans un conducteur, fait
inattendu, des mécanismes subtils couplent ces
ondes transverses de spin aux degrés
longitudinaux. La force de Coulomb n’agit plus
comme friction, mais le principe de Pauli et la
dispersion des énergies cinétiques de chacun des
électrons qui portent le mode collectif de spin lui
font perdre sa cohérence, comme dans un système