Convertir le spin des électrons en lumière polarisée sans champ magnétique extérieur
Publié par Redbran le 10/09/2018 à 12:00
Source: CNRS-INP
Des chercheurs viennent de démontrer l'émission de lumière polarisée circulaire à partir d'une seule boîte quantique sans champ magnétique extérieur. Ces travaux ouvrent la voie à la mise au point de nouveaux dispositifs pour stocker l'information quantique.


Figure
(a) Image en microscopie (La microscopie est l'observation d'un échantillon (placé dans une préparation microscopique plane de faible épaisseur) à travers le microscope. La microscopie...) électronique à transmission haute résolution de l'injecteur (Un injecteur est un élément de moteur permettant l'apport du carburant dans la chambre de combustion.) Ta / CoFeB / MgO / GaAs.
(b) Schéma de la structure spin-LED. Un seul plan de boites quantiques InAs est intégré dans la région intrinsèque de la jonction (La Jonction est un quartier de la ville de Genève (Suisse), son nom familier est "la Jonquille") p-i-n de la LED.
(c) Image au microscope à force atomique (Le microscope à force atomique (ou AFM pour atomic force microscope) est un dérivé du microscope à effet tunnel (ou Scanning Tunneling Microscope, STM), qui peut servir à visualiser la topologie de la surface...) d'un plan de boites quantiques InAs avec une densité (La densité ou densité relative d'un corps est le rapport de sa masse volumique à la masse volumique d'un corps pris comme référence. Le corps de référence est l'eau pure à 4 °C pour les liquides et...) de 1,6.1014m-2. Le diamètre (Dans un cercle ou une sphère, le diamètre est un segment de droite passant par le centre et limité par les points du cercle ou de la sphère. Le diamètre est aussi la...) moyen des boites est d'environ 30 nm et leur hauteur (La hauteur a plusieurs significations suivant le domaine abordé.) de 9 nm

Au cours de la dernière décennie (Une décennie est égale à dix ans. Le terme dérive des mots latins de decem « dix » et annus « année.), un intérêt et un effort de recherche (La recherche scientifique désigne en premier lieu l’ensemble des actions entreprises en vue de produire et de développer les connaissances scientifiques. Par extension...) continu ont été consacrés à l'étude de dispositifs émettant de la lumière (La lumière est l'ensemble des ondes électromagnétiques visibles par l'œil humain, c'est-à-dire comprises dans des longueurs d'onde de 380nm...) polarisée, tels les "Spin-Light Emitting Diodes (Spin-LED)".

De tels dispositifs offrent la possibilité de propager l'information contenue dans un bit magnétique sur de longues distances et à grande vitesse (On distingue :). Pour cela, il faut convertir le spin (Le spin est une propriété quantique intrinsèque associée à chaque particule, qui est caractéristique de la nature de la particule, au même titre que sa masse et...) "haut" ou "bas" des électrons en photons polarisés circulairement à droite ou circulairement à gauche, émis par la diode.

Des chercheurs de l'Institut (Un institut est une organisation permanente créée dans un certain but. C'est habituellement une institution de recherche. Par exemple, le Perimeter Institute for...) Jean Lamour (CNRS/Univ. Lorraine), du Laboratoire de physique (La physique (du grec φυσις, la nature) est étymologiquement la « science de la nature ». Dans...) et chimie (La chimie est une science de la nature divisée en plusieurs spécialités, à l'instar de la physique et de la biologie avec lesquelles elle partage des espaces d'investigations communs...) des nano-objets (CNRS/Univ. Toulouse/INSA Toulouse) et de l'Unité mixte de physique CNRS/Thales, en collaboration avec deux autres laboratoires chinois, viennent de démontrer l'émission de lumière polarisée circulairement à partir d'une boîte quantique unique, sans appliquer de champ magnétique (En physique, le champ magnétique (ou induction magnétique, ou densité de flux magnétique) est une grandeur caractérisée par la...) extérieur. Un degré (Le mot degré a plusieurs significations, il est notamment employé dans les domaines suivants :) de polarisation ( la polarisation des ondes électromagnétiques ; la polarisation dûe aux moments dipolaires dans les matériaux diélectriques ; En électronique, la polarisation est le fait d'appliquer une tension pour créer du courant dans le...) circulaire de la lumière émise pouvant atteindre 35 % est obtenu, ce qui est un record. Cela signifie que sur 100 photons émis, 67 vont être polarisés circulairement à droite et 33 vont être polarisés circulairement à gauche. Ils ont été émis par recombinaison d'électrons possédant respectivement des spins -1/2 et +1/2. L'information portée par le spin de l'électron (L'électron est une particule élémentaire de la famille des leptons, et possèdant une charge électrique élémentaire de signe négatif. C'est un des composants de l'atome.) est ainsi convertie en information contenue dans la polarisation des photons. Ce résultat est obtenu en combinant une électrode CoFeB ultra-mince – cette couche magnétique oriente le spin des électrons – avec des boîtes quantiques InGaAs de type p (avec un trou résident) pour la partie LED, l'émission d'un photon (En physique des particules, le photon est la particule élémentaire médiatrice de l'interaction électromagnétique. Autrement dit, lorsque deux...) se produisant lors de la recombinaison d'un électron avec un trou. Outre son intérêt en vue (La vue est le sens qui permet d'observer et d'analyser l'environnement par la réception et l'interprétation des rayonnements lumineux.) du développement de sources ultra-compactes de photons polarisés, cette démonstration (En mathématiques, une démonstration permet d'établir une proposition à partir de propositions initiales, ou précédemment...) expérimentale ( En art, il s'agit d'approches de création basées sur une remise en question des dogmes dominants tant sur le plan formel, esthétique, que sur le...) montre la faisabilité de l'initialisation par voie électrique du spin d'un électron confiné dans boîte quantique unique sans champ (Un champ correspond à une notion d'espace défini:) magnétique externe.

Par ailleurs, les chercheurs ont mesuré un décalage Overhauser (différence d'énergie (Dans le sens commun l'énergie désigne tout ce qui permet d'effectuer un travail, fabriquer de la chaleur, de la lumière, de produire un mouvement.) entre les raies d'émission de la LED polarisées circulaires à droite et à gauche) de plusieurs micro électronvolts à champ magnétique nul. Ce décalage change de signe lorsque l'orientation (Au sens littéral, l'orientation désigne ou matérialise la direction de l'Orient (lever du soleil à l'équinoxe) et des points cardinaux (nord de la boussole) ;) des spins électroniques injectés est inversée. Cela démontre que le spin des électrons est transféré aux spins des noyaux des atomes (Un atome (du grec ατομος, atomos, « que l'on ne peut diviser ») est la plus petite partie d'un corps simple pouvant se combiner chimiquement avec une autre. Il est généralement constitué...) constituant la boîte quantique. Il est donc possible d'initialiser par voie électrique les spins des noyaux (en plus du spin de l'électron confiné) dans une boite quantique unique sans champ magnétique externe.

Ces résultats pourraient ouvrir des perspectives dans le domaine de l'information quantique, où une telle boîte quantique constituerait un nouveau support de stockage.

Référence publication:
Electrical initialization of electron and nuclear spins in a single quantum (En physique, un quantum (mot latin signifiant « combien » et qui s'écrit « quanta » au pluriel) représente la plus...) dot at zero magnetic field
F. Cadiz, A. Djeffal, D. Lagarde, A. Balocchi, B. Tao, B. Xu, S. Liang, M. Stoffel, X. Devaux, H. Jaffres, JM. George, M.Hehn , S. Mangin, H. Carrere, X. Marie, T. Amand, X. Han , Z. Wang, B. Urbaszek, Y. Lu , P. Renucci
Nano Lett. (2018), DOI: 10.1021/acs.nanolett.7b05351

Contact chercheur:
- Yuan Lu, chargé de recherche CNRS (Le Centre national de la recherche scientifique, plus connu sous son sigle CNRS, est le plus grand organisme de recherche scientifique public français (EPST).)
- Pierre Renucci, Professeur à l'INSA de Toulouse et chercheur au LPCNO

Informations complémentaires:
- Institut Jean Lamour (IJL, CNRS/Université de Lorraine)
- Laboratoire de physique et chimie des nano-objets (LPCNO, CNRS/Univ.Toulouse Paul Sabatier/INSA Toulouse)
- Unité mixte de physique CNRS/Thales
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