Peu énergétiques et non ionisants, les rayonnements électromagnétiques térahertz (THz) – dont les fréquences sont comprises entre 100 GHz et 10 THz (10¹² Hz) et les longueurs d'onde entre 30 μm et 3 mm – intéressent de nombreux secteurs d'activité.

• Diverses matières comme le carton, le plastique ou le textile étant transparentes au THz, l'imagerie THz peut révéler des objets prohibés pour la sécurité ou des défauts de structures pour le contrôle industriel.
• La spectroscopie THz permet la détection de polluants atmosphériques ou de substances toxiques, ou encore l'analyse de l'haleine de patients à des fins diagnostiques.
• Le THz peut répondre à des besoins de communications à très hauts débits au sein de super-ordinateurs ou de serveurs.

Il reste cependant à développer des sources intenses, compactes et peu coûteuses. Les « sources spintroniques » pourraient-elles répondre à ce cahier des charges ? Mais de quoi s'agit-il ?

Une source spintronique, c'est quoi ?

C'est essentiellement un empilement de couches ultra-minces, alternativement en alliage ferromagnétique et non magnétique. Quand il est éclairé par une impulsion laser intense bien choisie, les électrons de la couche ferromagnétique sont excités et diffusent vers la couche non magnétique. Les spins de ces électrons étant tous orientés de manière identique dans le matériau magnétique, il en résulte un courant polarisé en spin, perpendiculaire aux couches. Des interactions de type « spin-orbite » permettent ensuite de convertir, dans le matériau non magnétique, une partie du courant de spin en courant de charge, qui est alors capable de rayonner en térahertz.

Un système modèle CoFeB – PtSe₂

Pour explorer le potentiel d'une telle source, des chercheurs de l'Irig ont choisi un système modèle composé d'un empilement de couches alternativement CoFeB (ferromagnétique) et PtSe₂ (matériau bidimensionnel non magnétique).

Grâce à leur longue expérience en épitaxie par jets moléculaires, ils sont parvenus à réaliser des monocristaux 2D de PtSe₂ de grande surface (plusieurs cm²) avec une excellente qualité d'interface avec l'électrode ferromagnétique. En analysant l'émission THz spintronique dans ce dispositif, ils ont pu identifier et quantifier les mécanismes de conversion spin-charge dans le disiléniure de platine (PtSe₂).

Pour un empilement de moins de quatre couches de PtSe₂, la conversion spin-charge est dominée par l'effet Rashba, puis l'effet Hall de spin inverse vient s'ajouter lorsque le nombre de couches de PtSe₂ augmente.

Des études théoriques combinant un modèle simple de diffusion de spin et des calculs ab initio ont permis de valider cette interprétation et de quantifier ces effets.

Ces recherches ont été réalisées en collaboration avec l'École normale supérieure de Paris, le Laboratoire Albert Fert (Thales-CNRS), le Centre de nanosciences et nanotechnologies et l'Institut Néel (Grenoble).