Les « spins » des électrons (et des trous) dans les semi-conducteurs ont des applications potentielles en spintronique, calcul quantique basé sur le spin, et les systèmes topologiques.

Le spin d'une particule est son moment cinétique intrinsèque.

Dans un champ magnétique, les spins des électrons ou des trous s'orientent soit parallèlement ('spin-up') ou anti-parallèle ('spin-down') à la direction du champ - tout comme une aiguille de boussole.

Ces orientations parallèles et antiparallèles ont des énergies différentes, et c'est cette différence d'énergie (connue sous le nom de division de Zeeman si elle est causée par un champ magnétique) qui détient la clé du traitement de l'information basé sur le spin.

Dans un article publié cette semaine, Les chercheurs de FLEET à l'UNSW ont démontré un mécanisme entièrement nouveau pour contrôler électriquement le spin des trous dans un puits quantique. Le journal est présenté cette semaine dans APS Physique .

Les trous sont des quasiparticules, essentiellement des "électrons manquants" - un peu comme la bulle dans un niveau à bulle, la chaise manquante dans un jeu de chaises musicales, ou le joueur manquant dans une ligne arrière défensive. Cela vous semble un peu ésotérique ? Bien, la moitié des transistors de votre ordinateur portable ou de votre iPhone commutent en utilisant le mouvement de « trous » chargés positivement – ​​plutôt que des électrons chargés négativement.

Où se situe alors le spin dans le puzzle ? Pour répondre à cela, il faut zoomer sur l'image atomique. Dans un atome, l'interaction spin-orbite couple le spin des électrons (ou des trous) à leur mouvement autour du noyau de l'atome. En raison de ce couplage, les électrons (ou trous) en mouvement « sentent » le champ électrique du noyau comme un champ magnétique effectif, ce qui fait que les électrons (ou trous) ont deux orientations de spin opposées avec une différence d'énergie - une analogie de la division de Zeeman.

Mais ce n'est pas tout :les trous ont des propriétés de spin très différentes de celles des électrons. Contrairement aux électrons, qui sont des particules de spin 1/2, les trous dans les semi-conducteurs sont des quasiparticules de spin 3/2. Cette différence de spin signifie que les trous réagissent très différemment à un champ électrique ou à un champ magnétique.

L'interaction spin-orbite dans les trous est beaucoup plus forte que dans les électrons, ce qui signifie que la différence d'énergie entre deux orientations de spin opposées est beaucoup plus grande et beaucoup plus sensible aux champs électriques dans les trous que dans les électrons. Ainsi, les trous permettent une manipulation de spin tout électrique, ce qui est très prometteur pour les transistors à spin ultra-basse puissance, bits quantiques à grande vitesse, et bits quantiques topologiques tolérants aux pannes.

Dans l'étude, les chercheurs ont démontré un mécanisme entièrement nouveau pour contrôler électriquement le spin des trous dans un puits quantique, en exploitant la nature inhabituelle de spin 3/2 des trous. Grâce à la forte interaction spin-orbite, les chercheurs ont montré qu'en utilisant uniquement des champs électriques pour augmenter la quantité de mouvement des trous, le fractionnement Zeeman pourrait être amélioré jusqu'à 300 %.

L'extrême accordabilité de la division de Zeeman via des champs électriques ouvre de nouvelles possibilités pour les futurs dispositifs quantiques basés sur le spin, tels que les transistors de spin, qubits spin-orbite, et les portes logiques quantiques. Il aidera également à réaliser des systèmes Majorana dans des systèmes supraconducteurs de type p, permettant de conduire le système dans un régime topologique sous un champ magnétique externe sans supprimer la supraconductivité nécessaire pour supporter les excitations de Majorana.

Les chercheurs ont également développé une nouvelle méthode pour extraire le facteur g (quantification de la division de Zeeman) à partir des oscillations de magnétorésistance de trous bidimensionnels, améliorer les méthodes conventionnelles qui échouent pour les systèmes bidimensionnels avec une forte interaction spin-orbite.

Finalement, la capacité de contrôler l'interaction spin-orbite est également essentielle pour développer de nouveaux matériaux topologiques, qui font actuellement l'objet de recherches à FLEET pour leur potentiel à fournir des voies de résistance ultra-faible pour les courants électriques.

L'étude Electrical Control of the Zeeman Spin Splitting in Two-dimensional Hole Systems a été publiée dans Lettres d'examen physique aujourd'hui, et a été sélectionné comme suggestion des éditeurs, présenté dans La physique .