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Ondes de spin entrelacées

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En 1851, le scientifique français Hippolyte Fizeau réalisa une expérience où un rayon lumineux se propageait dans un tube rempli d’eau en mouvement. Il observa que la vitesse de la lumière dans le référentiel du laboratoire, suivait une loi dépendant de la vitesse du flux d’eau, loi qui ne s’expliquait pas par un simple effet d’entrainement de l’eau en mouvement. L’effet fut expliqué bien plus tard une fois qu’Albert Einstein introduisit la relativité restreinte et les transformations de Lorentz qui s’opèrent lors de changement de référentiel relativiste. Un effet similaire, mais avec des ondes de spin dans un solide bi-dimensionnel, a récemment été observé et décrit par l’équipe Nanostructures et systèmes quantiques de l’INSP, en collaboration avec des théoriciens de l’université du Missouri et de l’université de York.

Les ondes de spin sont à l’étude dans cette équipe depuis une dizaine d’années. Généralement supportées dans des matériaux ferromagnétiques isolants, elles ont ici été étudiées dans un conducteur magnétique bi-dimensionnel : un gaz d’électrons confiné dans un puits quantique semi-magnétique. Une spécificité importante de ce système est la présence d’asymétries de structure cristalline, à l’origine d’un couplage entre le spin et le mouvement des électrons dans le plan. Ce couplage spin-orbite est un effet quantique d’origine relativiste. Ainsi, dans ce système, trois protagonistes jouent des rôles d’importance comparable : le mouvement libre dans le plan du gaz, l’interaction d’échange Coulombien entre spins à l’origine des ondes de spin, et l’interaction spin-orbite qui couple le mouvement et les spins. Cette dernière se traduit par un champ magnétique effectif, opérant dans le référentiel de l’électron en mouvement. Il n’est perçu que par cet électron et est proportionnel et majoritairement orthogonal à l’impulsion de ce dernier. Il est facile d’imaginer naïvement qu’une onde de spin correspondant à une précession collective de tous les spins, organisée par une phase spatialement déterministe serait détruite par la présence de tous ces champs spin-orbite effectifs, dont la direction et l’amplitude dépendent de chaque électron individuel.

Le caractère relativiste de cette interaction spin-orbite ainsi que son invariance par renversement du temps font qu’elle entrelace d’autres effets qu’un simple mécanisme de décohérence. En effet, dans un conducteur magnétique bi-dimensionnel où la précession des spins s’accompagne d’un mouvement des électrons dans le plan, oscillant à la même fréquence, l’interaction spin-orbite convertit ce mouvement en courants de spins oscillants et se propageant majoritairement perpendiculairement à la direction d’oscillation des électrons. Ce courant de spin, n’est pas comme un champ magnétique oscillant, car il se déplace avec l’onde, il est relatif à l’onde. Ainsi, il affecte la phase locale de l’onde et non pas directement sa fréquence. Cela se traduit par un changement de la direction de propagation de l’onde. à l’instar de l’expérience de Fizeau, tout se passe comme si l’onde se propageait dans un milieu mouvant, mais ce milieu agit dans « l’’espace » quantique du spin.

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a. Onde de spin sans interaction spin-orbite. Précession des spins dans le plan (en haut) et mouvement des électrons dans le plan réciproque (en bas). Les cercles de Fermi associés aux spins majoritaires et minoritaires oscillent en opposition de phase à la fréquence de l’onde délimitent les cercles de Fermi. Le processus Raman sonde l’onde de spin de vecteur d’onde q. b. Onde de spin avec interaction spin-orbite. Un courant de spin oscillant apparaît Jz. Ce dernier module les phases de l’onde dans une direction q0, comme si l’onde se déplaçait dans un milieu mouvant (symbolisé par la vague bleu ciel).

Cet effet a été mis en évidence par magnéto-spectroscopie Raman, technique expérimentale permettant de mesurer la dispersion des ondes de spin dans un gaz d’électrons bi-dimensionnel.

Comme l’amplitude de l’interaction spin-orbite peut être contrôlée par des potentiels électriques, l’équipe de recherche pense que cet effet permettrait la réalisation de lentilles ou bien de routeur pour les ondes de spins. Ces dispositifs seraient très intéressants pour contribuer au développement d’une électronique utilisant les ondes de spin comme porteuses de l’information. Cependant, cette idée doit faire face à des obstacles importants comme la température de fonctionnement et la longueur de propagation des ondes de spins dans les conducteurs. .

Référence
« Spin orbit twisted spin waves : group velocity control »
F. Perez, F. Baboux, C. Ullrich. I. D’Amico, G. Vignale, G. Karczewski, T. Wojtowicz
Physical Review Letters, 117, 137204 (2016)

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Florent Perez