Au cours des dernières années, les chercheurs ont démontré que la lumière peut servir de générateur de courant de spin, créer des courants de moment cinétique, dans les nanostructures optiques dites absorbeurs plasmoniques, l'ouverture d'une nouvelle branche de la spintronique appelée opto-spintronique.

Récemment, les chercheurs ont commencé à utiliser des métamatériaux, composites d'ingénierie qui ont des propriétés uniques que l'on ne trouve pas dans la nature, pour augmenter les taux d'absorption des absorbeurs plasmoniques. Ces propriétés incluent la taille, forme et disposition des nanoparticules qui manipulent les ondes électromagnétiques, absorbé sous forme de lumière, pour réaliser ce qui est impossible avec des matériaux conventionnels.

Des chercheurs japonais ont utilisé un métamatériau à trois couches pour développer un absorbeur de métamatériau plasmonique (PMA) sélectif en longueur d'onde au-dessus d'un dispositif spintronique afin d'améliorer la génération de courants de spin à partir de la chaleur produite dans le régime infrarouge moyen.

La recherche, qui pourraient être incorporés dans une gamme d'applications allant de la thermophotovoltaïque et des cellules solaires à couche ultrafine aux détecteurs de lumière et thermiques, est rapporté cette semaine dans Photonique APL .

"Notre travail est le premier à combiner des métamatériaux plasmoniques dans l'infrarouge moyen avec des dispositifs spintroniques. Cette combinaison unique permet une absorption lumineuse plus forte et montre l'excellente tenabilité des longueurs d'onde de résonance de ces métamatériaux, " dit Satoshi Ishii, chercheur à l'Institut national des sciences des matériaux et co-auteur de l'article.

Les chercheurs ont créé un dispositif spintronique composé de couches séparées de platine (Pt) et de grenat de fer yttrium (YIG). Ils ont ensuite placé des couches d'alumine et d'aluminium sur la couche de Pt pour créer le PMA au-dessus du dispositif de spintronique. Dans ce cas, Le Pt est utilisé comme couche la plus basse dans le PMA et également comme couche supérieure du dispositif spintronique.

L'équipe japonaise a montré qu'un courant de spin peut être généré directement à partir des photons absorbés dans le film de Pt, un métal paramagnétique, qui est placé sur YIG, qui est un isolant magnétique. Parce que la lumière est confinée dans le régime de sous-longueur d'onde dans le PMA, les champs électromagnétiques sont fortement renforcés avant que la lumière ne soit absorbée. Une fois la lumière absorbée par le film de Pt, il génère de la chaleur, qui est également renforcée par la PMA.

En d'autres termes, lorsque la lumière incidente frappe l'appareil dans la plage infrarouge moyenne, le PMA présente une forte résonance plasmonique, qui maximise l'absorption. Une fraction de la lumière absorbée déclenche partiellement l'effet photo-spin-voltaïque (PSV) dans le dispositif spintronique Pt/YIG, une méthode relativement nouvelle pour générer directement des courants de spin via des photons dans un métal non magnétique recouvert d'un isolant magnétique. La lumière restante chauffe l'appareil pour produire un gradient thermique à travers l'épaisseur du matériau magnétique, qui à son tour induit une tension de spin générée thermiquement dans ce qu'on appelle l'effet Seebeck de spin longitudinal (LSSE).

"En bref, grâce à l'absorbeur de métamatériau plasmonique, " dit Ken-ichi Uchida, un autre chercheur du NIMS et co-auteur de l'article, "le dispositif permet la détection électrique d'une longueur d'onde spécifique par l'effet PSV et le LSSE."