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L’Institut de Physique
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Actualités scientiques
Allonger la durée de vie de l’orientation de spin
électronique avec un champ électrique.
Décembre 2011
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.
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 conné 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.
En savoir plus
Full Electrical Control of the Electron Spin Relaxation in GaAs Quantum Wells, A. Balocchi1, Q. H. Duong1, P. Renucci1, B. L. Liu2, C. Fontaine3,
T. Amand1, D. Lagarde1, et X. Marie1, Physical Review Letters, 107, 136604 (2011).
Contact chercheur
Andrea Balocchi, enseignant-chercheur
Informations complémentaires
• 1Laboratoire de physique et chimie des nano-objets (LPCNO), UMR 5212
CNRS - INSA Toulouse - Univ. Paul Sabatier Toulouse 3
• 2Beijing National Laboratory for Condensed Matter Physics, Institute of Phy-
sics, Chinese Academy of Sciences, People’s Republic of China
• 3Laboratoire d’analyse et d’architecture des systèmes (LAAS), UMR 8001
CNRS - INSA Toulouse - Univ. Paul Sabatier Toulouse 3 - INP Toulouse
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.