Le spin dans toutes ses orientations

Publié par Adrien le 03/10/2022 à 09:00
Source: CNRS INP
Pour développer les applications de nouveaux matériaux, il est précieux de connaître l'énergie des électrons en fonction de leur quantité de mouvement et aussi en fonction de toutes les orientations possibles de leur spin. Les physiciens viennent de développer un nouveau dispositif capable pour la première fois de sonder de façon indépendante et complète ces deux paramètres.

La bande de conduction des matériaux (Un matériau est une matière d'origine naturelle ou artificielle que l'homme façonne pour en...) décrit la façon dont l'énergie (Dans le sens commun l'énergie désigne tout ce qui permet d'effectuer un travail, fabriquer de la...) des électrons qui participent à la conduction électrique est reliée à leur quantité de mouvement (En physique, la quantité de mouvement est la grandeur physique associée à la vitesse et la masse...) et à leur spin (Le spin est une propriété quantique intrinsèque associée à chaque...). Tout (Le tout compris comme ensemble de ce qui existe est souvent interprété comme le monde ou...) ou partie de cette bande est occupée par des électrons, suivant le caractère conducteur ou isolant (Un isolant est un matériau qui permet d'empêcher les échanges d'énergie entre deux systèmes....) du matériau (Un matériau est une matière d'origine naturelle ou artificielle que l'homme façonne...). Il s'avère que les états électroniques inoccupés de la bande de conduction sont beaucoup moins connus que les états occupés, mais tout aussi importants pour les applications.

Pour sonder les états occupés, il est possible d'exciter les électrons avec des photons (En physique des particules, le photon est la particule élémentaire médiatrice de l'interaction...) et de mesurer l'énergie cinétique (L'énergie cinétique (aussi appelée dans les anciens écrits vis viva, ou force vive) est...) des électrons émis, c'est la technique appelée photoémission. On utilise alors la technique appelée photoémission inverse (En mathématiques, l'inverse d'un élément x d'un ensemble muni d'une loi de...). Elle consiste à envoyer des électrons occuper ces états et à détecter les photons émis lorsque les électrons se désexcitent. Afin de décrire complètement (Le complètement ou complètement automatique, ou encore par anglicisme complétion ou...) les états inoccupés de la bande de conduction, il est nécessaire de faire varier de façon précise et indépendante la direction d'incidence des électrons sur le matériau ainsi que l'orientation (Au sens littéral, l'orientation désigne ou matérialise la direction de l'Orient (lever du soleil...) de leur spin. Or il est délicat de produire des électrons polarisés avec une orientation de spin bien contrôlée, les dispositifs de photoémission inverse polarisée en spin et résolus en angle (En géométrie, la notion générale d'angle se décline en plusieurs concepts...) d'incidence sont rares dans le monde (Le mot monde peut désigner :) et ne permettent pas un contrôle (Le mot contrôle peut avoir plusieurs sens. Il peut être employé comme synonyme d'examen, de...) total ( Total est la qualité de ce qui est complet, sans exception. D'un point de vue comptable, un...) du spin.

Grâce à une combinaison (Une combinaison peut être :) appropriée de champs magnétiques, les physiciens du Laboratoire de physique (La physique (du grec φυσις, la nature) est étymologiquement la...) des solides d'Orsay (LPS, CNRS (Le Centre national de la recherche scientifique, plus connu sous son sigle CNRS, est le plus grand...) / Université (Une université est un établissement d'enseignement supérieur dont l'objectif est la...) Paris-Saclay) ont conçu un dispositif de photoémission inverse nouveau, dont le coeur est une source d'électrons polarisés usinée et assemblée au laboratoire, qui assure un contrôle total du spin des électrons en offrant la possibilité de l'orienter dans une direction arbitraire (figure). Cette approche ouvre des nouvelles perspectives pour les études de la bande de conduction, en particulier dans le cas des matériaux de l'électronique de nouvelle génération (spintronique) pour laquelle la connaissance du spin est cruciale. Ce travail est publié dans Review of Scientific Instruments.


Schéma de principe de la source d'électrons:
Un laser (Un laser est un appareil émettant de la lumière (rayonnement électromagnétique)...) infrarouge (Le rayonnement infrarouge (IR) est un rayonnement électromagnétique d'une longueur d'onde...) circulairement polarisé (flèche rouge) est envoyé sur une cible de GaAs, qui produit des électrons polarisés (la flèche bleue représente la direction des spins) à partir d'une transition optique (L'optique est la branche de la physique qui traite de la lumière, du rayonnement...) de GaAs. La surface (Une surface désigne généralement la couche superficielle d'un objet. Le terme a...) de la cible a été préparée de manière à avoir une affinité électronique (L’affinité électronique, parfois notée AE, est la quantité...) négative, pour extraire plus facilement les électrons. Une fois les électrons polarisés en spin produits, leur orientation est contrôlée complètement grâce à deux champs magnétiques B1 et B2. Les électrons sont en effet d'abord déviés dans un secteur circulaire où règne le champ (Un champ correspond à une notion d'espace défini:) B1 qui permet de choisir la direction de polarisation ( la polarisation des ondes électromagnétiques ; la polarisation dûe aux moments...) dans le plan de la figure, et donc en particulier d'aligner la direction des spins sur la direction d'incidence. Après le secteur circulaire, un rotateur où règne le champ B2 permet de choisir la direction de polarisation dans le plan perpendiculaire (En géométrie plane, on dit que deux droites sont perpendiculaires quand elles se coupent en...) à l'incidence. En jouant sur les champs B1 et B2, il est ainsi possible d'obtenir une polarisation dans une direction arbitraire (le schéma correspond à B1 = B2 = 0).

Références
Spin- and angle-resolved inverse photoemission setup with spin orientation independent from electron incidence angle.
A F. Campos, P. Duret, S. Cabaret, T. Duden, A. Tejeda.
Review of Scientific Instruments, paru le 21/09/2022.
DOI: 10.1063/5.0076088
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