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NanoSciences de Paris
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Coulomb immunise les spins de la décohérence de D’yakonov-Perel

Les chercheurs de l’équipe « Nanostructures et systèmes quantiques » de l’INSP s’intéressent au transport de l’information par ondes de spin. Dans les puits quantiques de semi-conducteurs, elles se propagent dans un gaz d’électrons confiné dans le plan où règnent des champs spin-orbite. Ces champs induisent une décohérence qui, a priori, réduit la longueur de propagation. Les chercheurs ont montré que les champs spin-orbite se synchronisaient en présence de l’interaction de Coulomb, immunisant ainsi les ondes de spin du mécanisme de décohérence de D’yakonov-Perel.

 

 

 

 

Dans le référentiel d’un électron en mouvement, le champ électrique vu par cet électron se transforme en un champ magnétique qui agit sur son spin. Dans un puits quantique de semi-conducteurs, les électrons se déplacent dans un plan perpendiculaire à l’axe de confinement avec une impulsion \hbar\vec{k} et subissent le champ spin-orbite dépendant de \vec{k} : \vec{B}_{SO}\left( \vec{k}\right). Il en résulte que chaque spin précesse autour d’un axe différent menant à la destruction d’une précession initialement organisée, un effet dramatique sur la mémoire de spin connu sous le nom de mécanisme de D’yakonov-Perel. En considérant une onde de spin d’un gaz d’électrons, nous avons montré que l’interaction de Coulomb l’immunisait contre ce mécanisme.

En effet, la vision précédente néglige l’interaction de Coulomb entre électrons qui, par échange, tend à aligner les spins. L’interaction d’échange va donc lutter contre la désorganisation des champs spin-orbite. Pour minimiser l’énergie de l’ensemble de N électrons, l’échange compense la distribution des \vec{B}_{SO}\left( \vec{k}\right) et fait émerger un champ unique \vec{B}_{SO}^{\text{coll}}, proportionnel à \left\langle \vec{B}_{SO}\left( \vec{k}\right) \right\rangle, la moyenne des champs spin-orbite sur les états occupés. Nous avons montré cet effet remarquable en considérant une onde de spin d’un gaz d’électrons d’un puits quantique de GaAs. La spectroscopie Raman mesure l’énergie de cette excitation tout en lui transférant un moment \vec{q} ajustable dans le plan du gaz, en amplitude et direction. Remarquons qu’à l’équilibre, du fait des symétries, \left\langle \vec{B}_{SO}\left( \vec{k}\right) \right\rangle =\vec{0}.

Par contre, en transférant le moment \vec{q}, la symétrie est rompue et \left\langle \vec{B}_{SO}\left( \vec{k}\right) \right\rangle =\vec{B}% _{SO}\left( \vec{q}\right) !

Afin de cartographier le champ unique \vec{B}_{SO}^{\text{coll}}\left( \vec{q}\right) autour duquel l’onde de spin précesse, nous l’avons superposé avec un champ externe de façon à l’annuler (voir la figure 1).

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Figure 1. Variation, avec le champ magnétique externe appliqué , de l’énergie de précession de l’onde de spin de moment transféré à 45° de la direction [110]. L’énergie passe par un minimum lorsque le champ annule la composante de \vec{B}_{SO}^{\text{coll}}\left( \vec{q}\right) parallèle à \vec{q} . En faisant tourner l’échantillon, on mesure le champ spin-orbite pour chaque direction cristalline.

Cette méthode nous a permis une mesure directe du champ spin-orbite « collectif » dans toutes les directions cristallines. En le comparant avec le champ spin-orbite individuel (celui qui agit sur un électron seul), nous avons trouvé un facteur de renforcement de 5, c’est-à-dire géant compte tenu de la force des effets Coulombiens, seuls, attendus dans cet échantillon (facteur 1.3). C’est bien la preuve de l’organisation des champs spin-orbite, induite par l’interaction d’échange. L’onde de spin devient ainsi immunisée contre le mécanisme de décohérence de D’yakonov-Perel. Parmi les perspectives de ce résultat de physique fondamentale, citons deux domaines d’application :

- dans le transport d’information : une excitation collective vit plus longtemps et se propage donc plus loin qu’un ensemble d’excitations individuelles.

- pour l’inscription d’une information : l’onde de spin transporte un champ spin-orbite renforcé, atout pour retourner un spin.

 

Référence :
F. Baboux, F. Perez, C. A. Ullrich I. d’Amico, J. Gomez and M. Bernard, Giant Collective Spin-Orbit Field in a Quantum Well : Fine Structure of Spin Plasmons, Physical Review Letters 109, 166401, 15 octobre 2012.

 

 

 

Contact : Florent Perez