La lumière peut générer un courant électrique dans les matériaux semi-conducteurs. C'est ainsi que les cellules solaires produisent de l'électricité à partir de la lumière du soleil et comment les appareils photo des téléphones intelligents peuvent prendre des photos. Pour collecter le courant électrique généré, appelé photocourant, une tension électrique est nécessaire pour forcer le courant à circuler dans un seul sens.

Dans de nouvelles recherches, des scientifiques de l'Université du Minnesota ont utilisé un dispositif unique en son genre pour démontrer un moyen de contrôler la direction du photocourant sans déployer de tension électrique. La nouvelle étude a récemment été publiée dans la revue scientifique Communication Nature .

L'étude révèle que le contrôle est effectué par la direction dans laquelle les particules de lumière, appelés photons, tournent dans le sens des aiguilles d'une montre ou dans le sens inverse. Le photocourant généré par la lumière en rotation est également polarisé en spin, ce qui signifie qu'il y a plus d'électrons avec un spin dans un sens que dans l'autre. Ce nouveau dispositif détient un potentiel important pour une utilisation dans la prochaine génération de microélectronique utilisant le spin des électrons comme unité fondamentale d'information. Il pourrait également être utilisé pour des communications optiques écoénergétiques dans les centres de données.

"L'effet observé est très fort et robuste dans nos appareils, même à température ambiante et à l'air libre, " dit Mo Li, professeur agrégé de génie électrique et informatique à l'Université du Minnesota et auteur principal de l'étude. "Par conséquent, le dispositif que nous démontrons a un grand potentiel pour être mis en œuvre dans les systèmes de calcul et de communication de nouvelle génération. »

Isolants de spin optique et topologiques

La lumière est une forme d'onde électromagnétique. La façon dont le champ électrique oscille, soit en ligne droite soit en rotation, est appelé polarisation. (Vos lunettes de soleil polarisées bloquent une partie de la lumière réfléchie désagréable qui est polarisée le long d'une ligne droite.) En lumière polarisée circulairement, le champ électrique peut tourner dans le sens horaire ou antihoraire. Dans un tel état, on dit que la particule de lumière (photon) a un moment angulaire de spin optique positif ou négatif. Ce spin optique est analogue au spin des électrons, et confère des propriétés magnétiques aux matériaux.

Récemment, une nouvelle catégorie de matériaux, appelés isolants topologiques (TI), a été découvert pour avoir une propriété intrigante que l'on ne trouve pas dans les matériaux semi-conducteurs courants. Imaginez une route sur laquelle les voitures rouges ne roulent que sur la voie de gauche, et les voitures bleues uniquement dans la voie de droite. De la même manière, à la surface d'un TI, les électrons avec leurs spins pointant dans un sens circulent toujours dans un sens. Cet effet s'appelle le verrouillage de l'impulsion de spin :le spin des électrons est verrouillé dans la direction dans laquelle ils se déplacent.

De façon intéressante, faire briller une lumière polarisée circulairement sur un TI peut libérer des électrons de son intérieur pour circuler sur sa surface de manière sélective, par exemple, lumière dans le sens des aiguilles d'une montre pour les électrons de spin-up et dans le sens inverse des aiguilles d'une montre pour les électrons de spin-down. A cause de cet effet, le photocourant généré à la surface du matériau TI circule spontanément dans une direction, ne nécessitant aucune tension électrique. Cette particularité est importante pour contrôler le sens d'un photocourant. Parce que la plupart des électrons de ce courant ont leurs spins pointant dans une seule direction, ce courant est polarisé en spin.

Contrôle de la direction et de la polarisation

Pour fabriquer leur dispositif unique qui peut changer la direction d'un photocourant sans utiliser de tension électrique, l'équipe de recherche de l'université a intégré une couche mince d'un matériau TI, séléniure de bismuth, sur un guide d'onde optique en silicium. La lumière traverse le guide d'ondes (un petit fil mesurant 1,5 micron de large et 0,22 micron de haut) tout comme le courant électrique traverse un fil de cuivre. Parce que la lumière est étroitement comprimée dans le guide d'ondes, il tend à être polarisé circulairement selon une direction normale à la direction dans laquelle il s'écoule. Ceci s'apparente à l'effet de verrouillage de l'impulsion de spin des électrons dans un matériau TI.

Les scientifiques ont supposé que l'intégration d'un matériau TI avec le guide d'ondes optique induirait un fort couplage entre la lumière dans le guide d'ondes et les électrons dans le matériau TI, les deux ayant le même, effet de verrouillage intrigant de l'impulsion de rotation. Le couplage entraînera un effet optoélectronique unique :la lumière circulant dans une direction dans le guide d'ondes génère un courant électrique circulant dans la même direction avec un spin électronique polarisé.

L'inversion de la direction de la lumière inverse à la fois la direction du courant et sa polarisation de spin. Et c'est exactement ce que l'équipe a observé dans leurs appareils. Autres causes possibles de l'effet observé, comme la chaleur générée par la lumière, ont été écartés par des expériences minutieuses.

Perspectives d'avenir

Le résultat de la recherche est passionnant pour les chercheurs. Il offre un potentiel énorme pour d'éventuelles applications.

"Nos appareils génèrent un courant polarisé en spin circulant à la surface d'un isolant topologique. Ils peuvent être utilisés comme source de courant pour les appareils spintroniques, qui utilisent le spin des électrons pour transmettre et traiter des informations à très faible coût énergétique, " dit Li He, un étudiant diplômé en physique de l'Université du Minnesota et un auteur de l'article.

« Notre recherche relie deux domaines importants de la nanotechnologie :la spintronique et la nanophotonique. Elle est entièrement intégrée à un circuit photonique en silicium qui peut être fabriqué à grande échelle et a déjà été largement utilisé dans la communication optique dans les centres de données, " Il ajouta.