En spintronique, une propriété quantique de l'électron, le spin, peut être le support d'une information. Il est alors crucial de pouvoir contrôler la préparation de l'état électronique souhaité et de le préserver aussi longtemps que nécessaire.
Des chercheurs de l'Iramis et leurs partenaires ont pu étudier la dynamique de spin électronique dans un matériau semi-conducteur à structure lamellaire : le diséléniure de tungstène (WSe2). Celui-ci est en effet organisé à l'instar du graphite en nanofeuillets très stables, mais faciles à séparer les uns des autres, et possède de ce fait des propriétés électroniques remarquables.
Comment les scientifiques ont-ils procédé ?
- Les électrons de WSe2 sont d'abord polarisés dans l'état de spin souhaité, à l'aide d'une impulsion laser ultra-brève et polarisée circulairement (dite impulsion « pompe »), formant des paires « électron-trou » (ou excitons).
- Puis, un second flash laser de haute énergie (dit impulsion « sonde ») éjecte les électrons polarisés du solide, par effet photoélectrique.
- Un spectromètre d'électrons, résolu en angle et en spin, analyse enfin ces électrons.
En modifiant finement l'écart entre l'arrivée de la pompe et celle de la sonde, il est possible de reconstituer le « film » de la dynamique de spin des électrons dans le cristal à l'échelle femtoseconde (10-15 s).
Les chercheurs ont ainsi pu suivre la dynamique de diffusion des excitons, selon les différents états de spin de l'électron. Ils observent en particulier un « long » temps de relaxation de la polarisation en spin de l'électron excitonique dans un des « états de vallée ». Un point très favorable à son utilisation dans un dispositif spintronique et « valléetronique » !
Cette étude a rassemblé des équipes du Celia (CEA-CNRS- Université de Bordeaux), du LIDYL (CEA-CNRS) et du Laboratoire de physique des matériaux et surfaces (Université de Cergy), en collaboration avec les Universités de Paris-Saclay, Pékin (Chine) et West Bohemia (République tchèque).