Image au microscope des nanopiliers en forme de cheminée fabriqués par des chercheurs de l'Université de Linköping et du Royal Institute of Technology, Suède. Crédit :Shula Chen, Creative Commons Attribution 4.0 International License http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/
Des chercheurs de l'Université de Linköping et de l'Institut royal de technologie de Suède ont proposé un nouveau concept d'appareil capable de transférer efficacement les informations transportées par le spin des électrons à la lumière à température ambiante, un tremplin vers les futures technologies de l'information. Ils présentent leur approche dans un article de Communication Nature .
La lumière et la charge électronique sont les principaux supports de traitement et de transfert de l'information. Dans la recherche d'une technologie de l'information encore plus rapide, plus petit et plus économe en énergie, des scientifiques du monde entier explorent une autre propriété des électrons :leur spin. L'électronique qui exploite à la fois le spin et la charge de l'électron est appelée « spintronique ».
Comme la Terre, un électron tourne autour de son propre axe, soit dans le sens des aiguilles d'une montre, soit dans le sens inverse des aiguilles d'une montre. Le caractère manuel de la rotation est appelé états de rotation ascendante et de rotation descendante. En spintronique, les deux états représentent les bits binaires et portent donc des informations. Les informations codées par ces états de spin peuvent être converties par un dispositif électroluminescent en lumière, qui transporte ensuite l'information sur une longue distance grâce à la fibre optique. Le transfert d'informations quantiques ouvre la possibilité d'exploiter à la fois le spin des électrons et la lumière, et l'interaction entre eux, une technologie connue sous le nom d'« opto-spintronique ».
Le transfert d'informations en opto-spintronique repose sur le principe que l'état de spin de l'électron détermine les propriétés de la lumière émise. Plus précisement, c'est la lumière chirale, dans lequel le champ électrique tourne dans le sens des aiguilles d'une montre ou dans le sens inverse des aiguilles d'une montre lorsqu'il est vu dans le sens de déplacement de la lumière. La rotation du champ électrique est déterminée par la direction de spin de l'électron. Mais il ya un hic.
"Le principal problème est que les électrons perdent facilement leurs orientations de spin lorsque la température augmente. Un élément clé pour les futures applications de lumière de spin est un transfert efficace d'informations quantiques à température ambiante, mais à température ambiante, l'orientation du spin des électrons est presque aléatoire. Cela signifie que les informations codées dans le spin électronique sont perdues ou trop vagues pour être converties de manière fiable en sa lumière chirale distincte, " dit Weimin Chen au Département de Physique, Chimie et biologie, IFM, à l'Université de Linköping.
Illustration de la conversion entre la direction de spin de l'électron et l'hélicité de la lumière chirale. Ici, le sens de rotation de l'électron dans le nanodisque détermine le sens de rotation du champ électrique de la lumière chirale, soit dans le sens des aiguilles d'une montre ou dans le sens inverse des aiguilles d'une montre lorsqu'il est vu dans le sens de déplacement de la lumière.Illustration de la conversion entre le sens de rotation de l'électron et l'hélicité de la lumière chirale. Ici, le sens de rotation de l'électron dans le nanodisque détermine le sens de rotation du champ électrique de la lumière chirale, soit dans le sens des aiguilles d'une montre ou dans le sens inverse des aiguilles d'une montre lorsqu'il est vu dans le sens de déplacement de la lumière. Crédit :Yuqing Huang
Maintenant, des chercheurs de l'université de Linköping et du Royal Institute of Technology ont mis au point une interface spin-lumière efficace.
"Cette interface peut non seulement maintenir et même améliorer les signaux de spin des électrons à température ambiante. Elle peut également convertir ces signaux de spin en signaux lumineux chiraux correspondants se déplaçant dans une direction souhaitée, " dit Weimin Chen.
L'élément clé de l'appareil est constitué de disques extrêmement petits d'arséniure d'azote de gallium, GaNAs. Les disques ne mesurent que quelques nanomètres de haut et sont empilés les uns sur les autres avec une fine couche d'arséniure de gallium (GaAs) entre eux pour former des nanopiliers en forme de cheminée. En comparaison, le diamètre d'un cheveu humain est environ mille fois plus grand que le diamètre des nanopiliers.
La capacité unique du dispositif proposé à améliorer les signaux de spin est due aux défauts minimes introduits dans le matériau par les chercheurs. Moins d'un atome de gallium sur un million est déplacé de ses sites de réseau désignés dans le matériau. Les défauts résultants dans le matériau agissent comme des filtres de spin efficaces qui peuvent drainer les électrons avec une orientation de spin indésirable et préserver ceux avec l'orientation de spin souhaitée.
"Un avantage important de la conception du nanopilier est que la lumière peut être guidée facilement et plus efficacement couplée à l'intérieur et à l'extérieur, " dit Shula Chen, premier auteur de l'article.
Les chercheurs espèrent que leur dispositif proposé inspirera de nouvelles conceptions d'interfaces spin-lumière, qui sont très prometteuses pour les futures applications opto-spintronique.
