L’électron est porteur de la charge électrique élémentaire et d’un spin. Avec l’avènement de la spintronique (ou électronique de spin), ou encore le fait que le spin peut être le support de l’information quantique (qubit), les recherches se poursuivent pour mieux comprendre et maitriser la dynamique du spin de l’électron.
Par des expériences conduites sur la plateforme laser ATTOlab du LIDYL au CEA-Saclay, une collaboration de scientifiques a réussi à étudier la dynamique de relaxation ultrarapide du spin de l’électron dans un cristal de WSe2, semi-conducteur dont la structure en feuillets bidimensionnels lui confère une structure électronique bien particulière. Le dispositif expérimental combine des impulsions laser ultrarapide, générées par optique non linéaire extrême et la spectroscopie de photoélectrons résolue en spin.
La spintronique est une branche de l’électronique dans laquelle l’information est portée par le spin de l’électron, dont on cherche à mieux comprendre et maitriser la dynamique. Après avoir réussi à préparer les électrons dans l’état de spin souhaité, la dynamique interne au sein de la matière peut entraîner une modification du spin, ce qui est préjudiciable pour ce type d’applications. La dynamique ultrarapide du spin de l’électron au sein de la matière reste cependant difficile à observer. La présente étude montre qu’il est possible d’étudier directement cette dynamique ultrarapide, en utilisant l’effet photoélectrique avec des impulsions laser femtoseconde et la spectrométrie d’électrons.
L’étude a rassemblé des équipes du Centre Lasers Intenses et Applications (CELIA, CEA / CNRS / Université de Bordeaux), du Laboratoire Interactions, Dynamiques et Lasers (LIDYL, CEA / CNRS) et du Laboratoire de Physique des Matériaux et Surfaces (Univ. Cergy), en collaboration avec les Universités de Paris-Saclay, Pékin et West Bohemia (République tchèque). Elle porte sur l’étude de la dynamique de spin au sein des premières couches atomiques d’un cristal de diséléniure de tungstène – WSe2, qui présente la particularité d’une structure lamellaire bidimensionnelle (solide de Van der Waals) comme le graphène, et d’un ordre structural en spin au sein de chaque feuillet.
Une impulsion laser femtoseconde circulairement polarisée (symbole rouge) permet de sélectionner (excitation « verticale ») la polarisation de spin des excitons (zones ombrées) dans un matériau bidimensionnel (feuillet de WSe2). Les courbes représentant la structure de bande du solide (bande de valence et bande de conduction) sont en vert, et les zones polarisées en spin en rouge et bleu, selon l’état de spin (up ou down).
Les électrons sont initialement polarisés dans un état de spin bien défini, par une impulsion laser ultrabrève polarisée circulairement, à même de créer des excitons (paires e–-trou). Puis, un second flash de lumière de haute énergie éjecte ces électrons du solide par effet photoélectrique. Un spectromètre d’électrons, résolu en angle et en spin, permet d’analyser les électrons émis. En modifiant finement le délai femtoseconde (qques 10-15 s) entre l’impulsion initiale (pompe) et l’impulsion de sonde, il devient possible de reconstituer le film de la dynamique de spin des électrons dans le cristal.
La structure électronique bien spécifique de WSe2 qui est un semi-conducteur, présente des « états de vallée » dont l’état de spin est bien défini. Par l’expérience réalisée il a alors été possible de suivre la dynamique ultra-rapide de diffusion des excitons selon les différents états de spin et de vallée de l’électron. Il est en particulier observé que le long temps de relaxation de la polarisation en spin de l’électron excitonique dans l’état Σ de vallée est favorable pour son utilisation dans un dispositif spintronique.
Ainsi, au-delà d’une compréhension approfondie de la dynamique ultrarapide du spin dans ces matériaux semi-conducteur en feuillets, l’étude de ces systèmes originaux montrent des propriétés à même de porter de potentielles applications originales pour l’électronique, la spintronique et, de façon générale, les capteurs ou les technologies de communication.
La publication de ces travaux dans la revue Physical Review Letters a été sélectionné comme « Editors’ Suggestion ».
Référence :
Ultrafast hidden spin polarization dynamics of bright and dark excitons in 2H-WSe2,
M. Fanciulli, D. Bresteau, J. Gaudin, S. Dong, R. Géneaux, T. Ruchon, O. Tcherbakoff, J. Minár, O.Heckmann, M.-C. Richter, K. Hricovini et S. Beaulieu, Phys. Rev. Lett. 131, 066402 – Archive ouverte : arXiv (Juillet 2023)
Actualité CNRS/INP : « Contrôler la dynamique ultrarapide du spin de l’électron« .
Contact CEA : David Bresteau (LIDYL/ATTO).
Collaboration :
- Laboratoire de Physique des Matériaux et Surfaces, CY Cergy Paris Université, 95031 Cergy-Pontoise, France
- Université Paris-Saclay, CEA, CNRS, LIDYL, Gif-sur-Yvette, 91191, France
- Université de Bordeaux—CNRS—CEA, CELIA, UMR5107, F33405 Talence, France
- Beijing National Laboratory for Condensed Matter Physics, Institute of Physics, Chinese Academy of Sciences, Beijing 100190, China
- University of West Bohemia, New Technologies Research Centre, 301 00 Plzeň, Czech Republic