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Quand la cinétique des électrons limite la propagation du spin

Utiliser le spin pour transporter l’information est une option prometteuse sur laquelle misent les scientifiques. Pour y parvenir, ils recourent le plus souvent à un courant polarisé en spin : une technique où charge et spin ne sont pas découplés, ce qui est source de dissipation. C’est pourquoi des chercheurs de l’équipe « Nanostructures et systèmes quantiques » se sont penchés sur une alternative : utiliser des ondes de spin comme vecteur de l’information. Mais les courants portés par ces ondes sont-ils si purs en spin ? Cette équipe démontre le contraire dans un conducteur standard.

Aujourd’hui, pour manipuler de l’information, l’industrie utilise communément le courant polarisé en spin, obtenu dans un conducteur ferromagnétique, lorsque celui-ci est soumis à un champ électrique. Mais deux problèmes surgissent : ce courant déplace la charge, en même temps que le spin, ce qui échauffe le système par effet Joule ; le courant polarisé est fortement ralenti par la force de Coulomb, qui agit comme une force de friction, entre porteurs de spins opposés. Les ondes de spin pourraient être la solution alternative. Certes, elles sont plus difficiles à manipuler que des courants. Pour les exciter, il faut agir directement sur le spin. Cela peut se faire avec un champ magnétique tournant (peu intégrable) ou bien avec des faisceaux lasers. Mais en tant qu’excitation transverse de la matière, elles semblent découplées des degrés longitudinaux de charge ; le courant qu’elles portent ne déplacerait donc pas de charge, seulement le spin. Il n’y aurait plus ni dissipation Joule, ni friction Coulombienne.

Une question demeure toutefois : sont-elles si pures en spin ?

Lorsque les ondes existent dans un isolant, indéniablement, oui. Mais dans un conducteur, fait inattendu, des mécanismes subtils couplent ces ondes transverses de spin aux degrés longitudinaux. La force de Coulomb n’agit plus comme friction, mais le principe de Pauli et la dispersion des énergies cinétiques de chacun des électrons qui portent le mode collectif de spin lui font perdre sa cohérence, comme dans un système composé d’un grand nombre d’oscillateurs de fréquences toutes un peu différentes. Quand le mode collectif perd sa cohérence, les dynamiques des « individus » qui le composent prennent le dessus sur la dynamique d’ensemble. Ces excitations de spin individuelles, se couplent entre elles, par paire…par multiplets, à cause de l’interaction de Coulomb. Une paire peut être un complexe intriquant une excitation individuelle transverse (retournement d’un électron de spin -½ vers un spin ½) avec une excitation individuelle longitudinale (excitation d’un électron de spin ½ vers un spin ½). Cette dernière est une excitation de charge. Le spin et la charge ne sont plus séparés ! Donc, dans un conducteur, les ondes de spin se décomposent en modes de spin individuels (effet de l’énergie cinétique) qui se couplent aux modes de charge (effet de l’interaction de Coulomb).

A l’aide d’expériences réalisées sur un système modèle, un puits quantique de semi-conducteur magnétique CdMnTe, l’équipe « Nanostructures et systèmes quantiques » a mis en évidence la présence d’ondes de spin se propageant dans le plan du puits, en mesurant leur dispersion par spectroscopie Raman sous champ (voir les Fig.1(a) et 2(a)). Ce système paramagnétique permet une polarisation de spin, comparable à celle d’un ferromagnétique, tout en contenant un gaz d’électrons bi-dimensionnels de haute mobilité. Ce caractère original conduit à de fortes résonances optiques.

En mesurant précisément, la largeur homogène de la raie Raman η des ondes, les chercheurs de l’INSP ont trouvé qu’elle suivait une loi du type : η=η0 + η2q2 avec η2 fonction de la densité d’électrons et de la polarisation en spin (voir Fig. 2(b) et 2(c)). Cette loi est une conséquence directe de la forme quadratique de l’énergie cinétique des électrons E=ħk2/2m.

Ce résultat important démontre donc l’existence d’une limite intrinsèque pour la pureté en spin des courants portés par les ondes de spin d’un conducteur. Cependant, il dégage de nouvelles perspectives. Car si l’énergie cinétique des électrons était linéaire en k : E=ħvFk, comme c’est le cas dans un nanotube conducteur, le mode collectif de spin ne se décomposerait pas et ne serait pas couplé à la charge.

Spectres Raman obtenus à 2 Tesla en faisant varier le vecteur d'onde q transmis au gaz d'électrons. Pour chaque q, le spectromètre mesure l'énergie d'un photon diffusé, décalée de l'énergie de l'onde de spin, « Raman shift », par rapport au photon incident {JPEG}
Fig 1 : Spectres Raman obtenus à 2 Tesla en faisant varier le vecteur d’onde q transmis au gaz d’électrons. Pour chaque q, le spectromètre mesure l’énergie d’un photon diffusé, décalée de l’énergie de l’onde de spin, « Raman shift », par rapport au photon incident.
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Fig 2 : Dispersion de l’onde spin reconstruite à partir des spectres de la Fig.1. (b) et (c) Largeur de raie : elle suit une loi du type η=η0 + η2q2 caractéristique. Cette loi est également présente dans l’échantillon H qui ne possède pas de dopage Manganèse : elle n’est donc pas causée par les impuretés Mn.

 

Pour en savoir plus

J. Gómez, F. Perez, E. M. Hankiewicz, B. Jusserand, G. Karczewski, and T. Wojtowicz, Phys. Rev. B 81, 100403(R) (2010)