Le tellurure de germanium est un candidat solide pour une utilisation dans les dispositifs spintroniques fonctionnels en raison de son effet Rashba géant. Maintenant, les scientifiques de HZB ont découvert un autre phénomène intrigant dans GeTe en étudiant la réponse électronique à l'excitation thermique des échantillons. À leur grande surprise, la relaxation qui a suivi s'est déroulée de manière fondamentalement différente de celle des semi-métaux conventionnels. En contrôlant délicatement les détails fins de la structure électronique sous-jacente, de nouvelles fonctionnalités de cette classe de matériaux pourraient être conçues. Ils ont rendu compte de leurs résultats dans Matériaux avancés .

Au cours des dernières décennies, la complexité et la fonctionnalité des technologies à base de silicium ont augmenté de façon exponentielle, proportionnellement à la demande toujours croissante d'appareils plus petits et plus performants. Cependant, l'ère du silicium touche à sa fin. Avec la miniaturisation croissante, les effets quantiques indésirables et les pertes thermiques deviennent un obstacle de plus en plus important. De nouveaux progrès nécessitent de nouveaux matériaux qui exploitent les effets quantiques plutôt que de les éviter. Les appareils spintroniques, qui utilisent les spins des électrons plutôt que leur charge, promettent des appareils plus économes en énergie avec des temps de commutation considérablement améliorés et des fonctionnalités entièrement nouvelles.

Les appareils Spintronic arrivent

Les candidats pour les dispositifs spintroniques sont des matériaux semi-conducteurs dans lesquels les spins sont couplés au mouvement orbital des électrons. Cet effet dit Rashba se produit dans un certain nombre de semi-conducteurs non magnétiques et de composés semi-métalliques et permet, entre autres, de manipuler les spins dans le matériau par un champ électrique.

Première étude dans un état hors équilibre

Le tellurure de germanium héberge l'un des plus grands effets Rashba de tous les systèmes semi-conducteurs. Jusqu'à présent, cependant, le tellurure de germanium n'a été étudié qu'à l'équilibre thermique. Maintenant, pour la première fois, une équipe dirigée par le physicien HZB Jaime-Sanchez-Barriga a spécifiquement accédé à un état de non-équilibre dans des échantillons GeTe à BESSY II et a étudié en détail comment l'équilibre est restauré dans le matériau sur ultrarapide (<10 ^-12 secondes) échelles de temps. Dans le processus, les physiciens ont rencontré un phénomène nouveau et inattendu.

Tout d'abord, l'échantillon a été excité avec une impulsion infrarouge, puis mesuré avec une résolution temporelle élevée à l'aide de la spectroscopie de photoémission à résolution angulaire (tr-ARPES). "Pour la première fois, nous avons pu observer et caractériser toutes les phases d'excitation, de thermalisation et de relaxation sur des échelles de temps ultracourtes", explique Sánchez-Barriga. Le résultat le plus important :"Les données montrent que l'équilibre thermique entre le système d'électrons et le réseau cristallin est rétabli de manière très non conventionnelle et contre-intuitive", explique l'un des auteurs principaux, Oliver Clark.

Équilibre restauré :plus il fait froid, plus il est rapide

Dans les systèmes métalliques simples, l'équilibre thermique est établi principalement par l'interaction entre les électrons entre eux et entre les électrons et les vibrations du réseau dans le cristal (phonons). Ce processus ralentit régulièrement avec des températures plus basses. Dans le tellurure de germanium, cependant, les chercheurs ont observé un comportement opposé :plus la température de réseau de l'échantillon est basse, plus l'équilibre thermique s'établit rapidement après excitation avec l'impulsion de chaleur. "C'était très surprenant", déclare Sánchez-Barriga.

Grâce à des calculs théoriques dans le cadre de l'approche Boltzmann réalisés par des collaborateurs de l'Université Technologique de Nanyang, ils ont pu interpréter les processus microscopiques sous-jacents et distinguer trois processus de thermalisation différents :Interactions entre électrons au sein d'une même bande, dans des bandes différentes et électrons avec des phonons .

Il semble que l'interaction entre les électrons domine la dynamique et devient beaucoup plus rapide avec la diminution de la température du réseau. "Cela peut s'expliquer par l'influence de la division de Rashba sur la force des interactions électroniques fondamentales. Ce comportement est applicable à tous les semi-conducteurs Rashba", déclare Sánchez-Barriga :"Les résultats actuels sont importants pour les applications futures des semi-conducteurs Rashba et leur excitations en spintronique ultra-rapide." + Explorer plus loin

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