La vitesse de fonctionnement des semi-conducteurs dans divers dispositifs électroniques et optoélectroniques est limitée à plusieurs gigahertz (un milliard d'oscillations par seconde). Cela contraint la limite supérieure de la vitesse opérationnelle de calcul. Des chercheurs du MPSD et de l'Institut indien de technologie de Bombay ont expliqué comment ces processus peuvent être accélérés grâce à l'utilisation d'ondes lumineuses et de matériaux solides défectueux.

Les ondes lumineuses effectuent plusieurs centaines de milliards d'oscillations par seconde. D'où, il est naturel d'envisager d'utiliser des oscillations lumineuses pour entraîner le mouvement électronique. Contrairement aux techniques conventionnelles, les ondes lumineuses initient non seulement le mouvement électronique mais le contrôlent également sur son échelle de temps naturelle, c'est-à-dire l'échelle de temps de l'attoseconde (une attoseconde est un quintillionième de seconde). Cela a le potentiel d'augmenter la vitesse de fonctionnement des appareils et de l'informatique par des ordres de grandeur et ouvre une voie pour l'électronique pétahertz.

Des éclairs de lumière à haute fréquence sont émis lorsqu'un solide est exposé à une lumière ultracourte intense. Ce processus est connu sous le nom de génération d'harmoniques élevées (HHG). Les oscillations du champ électrique de la lumière incidente déclenchent et contrôlent le mouvement des électrons dans les solides, qui définit le courant dans les solides. Le courant induit a deux contributions :l'une provenant des transitions des électrons des bandes de valence aux bandes de conduction et une autre due au mouvement des électrons et des trous dans leurs bandes d'énergie respectives.

Dans les études théoriques et expérimentales du processus de HHG dans les solides, il est communément admis que les solides sont exempts de défauts. Cependant, cette hypothèse sous-jacente n'est pas vraie dans la pratique. Dans de vrais solides, les défauts sont inévitables en raison de leurs processus de croissance. Ils peuvent être de différentes formes telles que des postes vacants, interstitiels, ou des impuretés. Maintenant, on ne sait pas grand-chose sur la façon dont la présence de défauts peut modifier le processus HHG et la dynamique électronique associée. Gardant à l'esprit que l'ingénierie des défauts a été l'épine dorsale de l'optoélectronique conventionnelle, il est donc crucial de comprendre le rôle des défauts dans le contexte de l'électronique pétahertz et de la spintronique.

Dans leurs récents travaux théoriques publiés dans Matériaux de calcul npj , une équipe de chercheurs de l'Indian Institute of Technology (IIT) de Bombay, Inde, et l'Institut Max-Planck pour la structure et la dynamique de la matière (MPSD) à Hambourg, Allemagne, ont abordé une information manquante importante concernant l'effort de l'électronique pétahertz et de la spintronique :comment les différents types de défauts influencent-ils le mouvement des électrons dans les solides pendant HHG ? Pour répondre à cette question, une monocouche bidimensionnelle de nitrure de bore hexagonal (h-BN) avec une lacune d'atomes de bore ou d'azote est exposée à un flash lumineux intense.

h-BN commence à se comporter comme un donneur ou un accepteur d'électrons dès qu'un atome d'azote ou de bore est éliminé. Il en résulte des structures électroniques qualitativement différentes et les défauts de lacunes induits deviennent polarisés en spin. En particulier, l'équipe de recherche a découvert que les deux canaux de spin sont affectés différemment et que les électrons avec des spins opposés contribuent différemment à l'émission à haute harmonique. De plus, l'interaction électron-électron se manifeste de manière disparate dans les solides défectueux par rapport à l'interaction primitive.

Le présent travail anticipe également la situation dans laquelle un atome d'azote ou de bore est remplacé par un atome de carbone (défaut de dopage) au lieu d'éliminer complètement l'atome du h-BN. Lorsqu'un seul atome de bore est remplacé par un seul atome de carbone, la dynamique des électrons ressemble à celle où un atome d'azote est complètement éliminé du h-BN. Au contraire, la situation inverse se produit lorsqu'un atome d'azote est remplacé par un atome de carbone :Ici, la dynamique ressemble à celle où un atome de bore est complètement détaché du système.

Ce travail est une étape importante vers un meilleur contrôle de la spintronique pétahertz pilotée par ondes lumineuses en utilisant l'ingénierie des défauts dans les solides.