La charge ou le spin des électrons permet d'encoder des informations pour les traiter et les stocker. Il est possible d'exploiter l'orientation des spins (up ou down), définissant un état magnétique local, comme dans les mémoires magnétiques MRAM ou encore, un courant électrique polarisé en spin, avec un sens majoritaire d'orientation des spins électroniques. Dans les deux cas, il serait intéressant de pouvoir transporter les informations portées par le spin sur de longues distances, par voie optique.

Dans cette perspective, pourrait-on convertir un courant électrique polarisé en spin (up ou down) en lumière polarisée circulairement (droite ou gauche) et vice versa ?

Il est en effet possible de produire une émission de lumière polarisée circulairement avec un taux de polarisation convenable (jusqu'à 67 %) en injectant des électrons polarisés en spin dans un semi-conducteur. À l'inverse, les capteurs sensibles à la polarisation circulaire de la lumière (« photodiodes à spin ») sont encore peu efficaces.

Pour progresser dans cette voie, des chercheurs du Laboratoire des solides irradiés (Iramis) et leurs partenaires ont développé une photodiode à spin et ont analysé les mécanismes qui y sont à l'œuvre.

Les photons incidents excitent les électrons dans une couche semi-conductrice du dispositif, ce qui tend à aligner les spins électroniques selon une direction déterminée par l'état de polarisation circulaire de la lumière. Les électrons sont ensuite transférés dans une couche magnétique où la polarisation en spin du courant peut être analysée.

L'effet recherché n'est cependant pas aisé à mettre en évidence. Il est nécessaire de moduler l'état de polarisation de la lumière à l'aide d'un modulateur photo-élastique pour des mesures de qualité. Il faut également prendre en compte des phénomènes parasites tels que le dichroïsme magnétique ou le courant inverse de trous et il faut enfin appliquer un champ magnétique externe pour stabiliser le spin des électrons et renforcer le signal.

Après avoir franchi ces obstacles, l'équipe est aussi parvenue à reconstituer les différents mécanismes d'excitation et relaxation des électrons afin de mieux les contrôler. Par une modélisation de l'ensemble de ces phénomènes physiques, ils ont pu obtenir et tester avec succès un modèle global, à même de reproduire le fonctionnement du dispositif pour différentes plages de tensions et de champs magnétiques appliqués.

Ces travaux menés en collaboration avec l'Unité mixte CNRS-Thales, l'Institut Jean Lamour, l'Institut Ioffe de Saint-Pétersbourg et l'Académie des sciences chinoise ouvrent la voie au développement de photodiodes à spin efficaces qui permettraient d'envisager le transport à longue distance d'informations portées par des spins.