Laboratoire Kastler Brossel

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Courants de spins contrôlés optiquement dans les microcavités semiconductrices

Le spin d’une particule matérielle peut, comme le photon, transporter une unité d’information quantique, un qbit, ce qui rend les dispositifs à base de spin très prometteurs pour le traitement quantique de l’information. Dans l’expérience présentée ici, les chercheurs du Laboratoire Kastler Brossel ont réussi à créer avec un faisceau laser et à contrôler des courants de spin par un effet nouveau, l’effet Hall optique de spin.

Dans les semi-conducteurs, les spins des porteurs peuvent être manipulés par des interactions variées. D’une façon analogue à l’effet Hall, par lequel la trajectoire d’une particule dans un champ magnétique dépend de sa charge, dans l’effet Hall de spin, la diffusion d’un électron par les impuretés dans le matériau dépend de son spin et conduit à la séparation entre électrons de spin « up » et spin « down » et donc à la génération de courants de spin. Cependant ces courants, qui ont été produits et mesurés dans des matériaux semi-conducteurs depuis quelques années, et ont suscité un grand intérêt pour leur potentiel dans le domaine émergent de la spintronique, subissent une rapide décohérence qui en limite la distance de propagation à quelques microns. Une solution pour contourner le problème de la décohérence consiste à utiliser des particules neutres pour transporter les courants de spin. L’équipe d’optique quantique du Laboratoire, en collaboration avec des équipes des théoriciens de l’Université de Southampton, de l’Institut Ioffe de St. Petersbourg, et du LASMEA d’Aubière, a observé pour la première fois des courants de spin transportés par des particules neutres, les excitons-polaritons dans une microcavité semiconductrice. Ces courants d’excitons générés par interaction du semi-conducteur avec un laser polarisé peuvent être contrôlés par un effet Hall optique de spin qui présente de fortes analogies avec l’effet Hall de spin, et se propagent d’une façon cohérente sur des distances supérieures à 100 microns. Dans cette expérience la microcavité se comporte comme un générateur de courants de spin contrôlés optiquement, résultat qui ouvre la voie à la réalisation de dispositifs intégrés pour la spintronique.

Courants de spin polaritonique dans l’espace réel : expérience (a) et théorie (b). (a) :* Degré de polarisation circulaire en champ proche pour une excitation polarisée TM . *(b)* : Résultats de la simulation obtenue par transformée de Fourier de la distribution de polaritons dans l’espace réciproque. Près du spot de pompe la polarisation est dominée par la polarisation linéaire de la pompe. Cependant, après s’être propagés loin du spot d’excitation, la polarisation des polaritons dépend de leur vecteur d’onde : l’effet Hall optique de spin provoque une séparation dans l’espace réel des polaritons de spin "up" et de spin "down". Les courants de spin "up" et de spin "down" sont représentés sur la figure par des flèches noires.

Référence : Observation of the optical spin Hall effect, C. Leyder, M. Romanelli, . J. Ph. Karr, E. Giacobino, T.C. Liew, M.M. Glazov, A.V. Kavokin, G. Malpuech and A. Bramati, Nature Physics, 3, 628 (2007)

Contact : Alberto Bramati, bramati@spectro.jussieu.fr

Adresse web des collaborateurs

Université de Southampton

Institut Ioffe de St. Petersbourg

LASMEA - Aubière