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    Futures technologies de l'information :Matériaux topologiques pour la spintronique ultrarapide

    Instantanés de la structure électronique de Sb acquis avec une résolution temporelle femtoseconde. Notez le poids spectral changeant au-dessus de l'énergie de Fermi (E F ). Crédit :HZB/Nature Communication Physique

    Les lois de la physique quantique régissent le microcosme. Ils déterminent, par exemple, la facilité avec laquelle les électrons se déplacent à travers un cristal et donc si le matériau est un métal, un semi-conducteur ou un isolant. La physique quantique peut conduire à des propriétés exotiques dans certains matériaux :Dans les isolants dits topologiques, seuls les électrons qui peuvent occuper certains états quantiques spécifiques sont libres de se déplacer comme des particules sans masse à la surface, alors que cette mobilité est totalement absente pour les électrons dans la masse. Quoi de plus, les électrons de conduction dans la "peau" du matériau sont nécessairement polarisés en spin, et forme robuste, états de surface métalliques qui pourraient être utilisés comme canaux dans lesquels conduire des courants de spin purs sur des échelles de temps femtosecondes (1 fs =10 -15 s).

    Ces propriétés ouvrent des opportunités intéressantes pour développer de nouvelles technologies de l'information basées sur des matériaux topologiques, comme la spintronique ultrarapide, en exploitant le spin des électrons sur leurs surfaces plutôt que la charge. En particulier, l'excitation optique par des impulsions laser femtosecondes dans ces matériaux représente une alternative prometteuse pour réaliser des transfert sans perte des informations de rotation. Les dispositifs spintroniques utilisant ces propriétés ont le potentiel d'une performance supérieure, car ils permettraient d'augmenter la vitesse de transport de l'information jusqu'à des fréquences mille fois plus rapides que dans l'électronique moderne.

    Cependant, de nombreuses questions doivent encore être résolues avant que des dispositifs spintroniques puissent être développés. Par exemple, les détails de la manière exacte dont les électrons de masse et de surface d'un matériau topologique répondent au stimulus externe, c'est-à-dire l'impulsion laser, et le degré de chevauchement de leurs comportements collectifs sur des échelles de temps ultracourtes.

    Une équipe dirigée par le physicien du HZB, le Dr Jaime Sánchez-Barriga, a maintenant apporté de nouvelles connaissances sur de tels mécanismes. L'équipe, qui a également créé un groupe de recherche conjoint Helmholtz-RSF en collaboration avec des collègues de l'Université d'État de Lomonosov, Moscou, examiné des monocristaux d'antimoine élémentaire (Sb), précédemment suggéré d'être un matériau topologique. "C'est une bonne stratégie pour étudier une physique intéressante dans un système simple, car c'est là qu'on peut espérer comprendre les principes fondamentaux, " explique Sánchez-Barriga. " La vérification expérimentale de la propriété topologique de ce matériau nous a obligés à observer directement sa structure électronique dans un état hautement excité avec le temps, tournoyer, résolutions d'énergie et de quantité de mouvement, et de cette façon nous avons accédé à une dynamique électronique inhabituelle, " ajoute Sánchez-Barriga.

    L'objectif était de comprendre à quelle vitesse les électrons excités dans le volume et à la surface de Sb réagissent à l'apport d'énergie externe, et d'explorer les mécanismes qui régissent leur réponse. "En contrôlant le délai entre l'excitation laser initiale et la deuxième impulsion qui nous permet de sonder la structure électronique, nous avons pu construire une image résolue en temps complet de la façon dont les états excités partent et reviennent à l'équilibre sur des échelles de temps ultrarapides. La combinaison unique de capacités de résolution en temps et en spin nous a également permis de sonder directement la polarisation en spin d'états excités très hors d'équilibre", dit le Dr Oliver J. Clark.

    Les données montrent une structure "entortillée" dans la dispersion énergie-impulsion occupée de manière transitoire des états de surface, ce qui peut être interprété comme une augmentation de la masse effective des électrons. Les auteurs ont pu montrer que cette augmentation de masse joue un rôle décisif dans la détermination de l'interaction complexe dans les comportements dynamiques des électrons de la masse et de la surface, aussi en fonction de leur spin, suivant l'excitation optique ultrarapide.

    "Notre recherche révèle quelles propriétés essentielles de cette classe de matériaux sont la clé pour contrôler systématiquement les échelles de temps pertinentes dans lesquelles des courants polarisés en spin sans perte pourraient être générés et manipulés, " explique Sánchez-Barriga. Ce sont des étapes importantes sur la voie des dispositifs spintroniques qui basés sur des matériaux topologiques possèdent des fonctionnalités avancées pour un traitement ultrarapide de l'information.


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