L'orbitronique est un domaine de recherche récemment émergent sur la manipulation du degré de liberté orbital des électrons pour la technologie de l'information quantique. Cependant, détecter sans ambiguïté la dynamique ultrarapide du moment cinétique orbital s'est révélé jusqu'à présent difficile.
En utilisant la spectroscopie THz de pointe, des scientifiques de la Freie Universität Berlin, en collaboration avec des partenaires nationaux et internationaux, ont clarifié pour la première fois le flux ultrarapide et à longue portée d'électrons polarisés orbitalement. La recherche est publiée dans la revue Nature Nanotechnology .
Étonnamment, les résultats montrent que les informations stockées dans les degrés de liberté orbitaux prévalent pendant des périodes environ 100 fois plus longues que les informations stockées dans le deuxième canal de moment angulaire de l'électron, le degré de liberté de spin. Cette découverte marque une étape importante vers le traitement des données avec des taux THz et une faible dissipation d'énergie dans les dispositifs orbitroniques.
"Notre méthode de génération et de mesure des courants de moment cinétique orbital permet une observation directe dans le domaine temporel de leur dynamique de propagation et de relaxation avec une résolution femtoseconde", explique Tom S. Seifert, premier auteur de l'étude et chef de projet au sein du groupe de recherche en physique Terahertz de la Freie Universität Berlin, qui a dirigé l'étude.
Dans leurs travaux, les chercheurs ont utilisé des impulsions laser femtoseconde pour exciter des courants de moment cinétique orbital ultrarapides dans des empilements de couches minces Ni|W et ont mesuré les impulsions électromagnétiques térahertz émises. Ces informations leur ont permis de reconstruire le flux du moment cinétique orbital à travers le tungstène en fonction du temps avec une précision femtoseconde.
"Nous avons constaté que les courants de moment cinétique orbital dans le tungstène se déplacent à faible vitesse mais atteignent très loin", explique Dongwook Go, deuxième auteur de l'étude et physicien théoricien à l'Institut Peter-Grünberg de Juliers. Un tel comportement inattendu a également été reproduit par des simulations ab-initio qui ont révélé le rôle crucial de la surface arrière en tungstène pour une conversion efficace du courant orbital en courant de charge.
Cette étude met en évidence la puissance de la spectroscopie d'émission térahertz à large bande pour démêler le transport de spin et de moment cinétique orbital ainsi que les processus de conversion de type Hall et de type Rashba-Edelstein en fonction de leurs différentes dynamiques.
Seifert et ses collègues constatent que Ni est une bonne source de moment cinétique orbital, tandis que W est un bon convertisseur orbital-charge. Ces résultats constituent une étape importante vers l'identification de sources et de détecteurs idéaux de courants de moment cinétique orbital, qui bénéficieront fortement de prédictions théoriques précises.
"À long terme, les courants térahertz du moment cinétique orbital pourraient permettre un traitement de données ultrarapide et à faible dissipation, un objectif de longue date pour les technologies futures", déclare Tom S. Seifert.
Plus d'informations : Tom S. Seifert et al, Observation dans le domaine temporel des courants balistiques orbitaux-angulaires avec une longueur de relaxation géante dans le tungstène, Nature Nanotechnology (2023). DOI :10.1038/s41565-023-01470-8
Informations sur le journal : Nanotechnologie naturelle
Fourni par l'Université libre de Berlin
