07.07.2022 - Helmholtz-Zentrum Berlin für Materialien und Energie GmbH

Spintronique : Les semi-conducteurs géants de Rashba présentent une dynamique non conventionnelle avec des applications potentielles

Le tellurure de germanium est un candidat de choix pour les dispositifs spintroniques fonctionnels en raison de son effet Rashba géant. Les scientifiques du HZB ont découvert un autre phénomène fascinant dans le GeTe en étudiant la réponse électronique à l'excitation thermique des échantillons. À leur grande surprise, la relaxation qui s'ensuit est fondamentalement différente de celle des semi-métaux classiques. En contrôlant délicatement les détails fins de la structure électronique sous-jacente, de nouvelles fonctionnalités de cette classe de matériaux pourraient être conçues.

Au cours des dernières décennies, la complexité et la fonctionnalité des technologies à base de silicium ont augmenté de manière exponentielle, à la mesure de la demande toujours croissante de dispositifs plus petits et plus performants. Cependant, l'ère du silicium touche à sa fin. Avec la miniaturisation croissante, les effets quantiques indésirables et les pertes thermiques deviennent un obstacle de plus en plus important. Pour progresser, il faut de nouveaux matériaux qui exploitent les effets quantiques au lieu de les éviter. Les dispositifs spintroniques, qui utilisent les spins des électrons plutôt que leur charge, promettent des dispositifs plus efficaces sur le plan énergétique, avec des temps de commutation considérablement améliorés et des fonctionnalités entièrement nouvelles.

Les dispositifs spintroniques arrivent

Les candidats aux dispositifs spintroniques sont des matériaux semi-conducteurs dans lesquels les spins sont couplés au mouvement orbital des électrons. Cet effet dit de Rashba se produit dans un certain nombre de semi-conducteurs non magnétiques et de composés semi-métalliques et permet, entre autres, de manipuler les spins dans le matériau par un champ électrique.

Première étude dans un état de non-équilibre

Le tellurure de germanium présente l'un des plus grands effets Rashba de tous les systèmes semi-conducteurs. Jusqu'à présent, cependant, le tellurure de germanium n'a été étudié qu'en équilibre thermique. Pour la première fois, une équipe dirigée par le physicien Jaime-Sanchez-Barriga du HZB a accédé à un état de non-équilibre dans des échantillons de GeTe à BESSY II et a étudié en détail comment l'équilibre est rétabli dans le matériau à des échelles de temps ultrarapides (<10-12 secondes). Au cours de ce processus, les physiciens ont rencontré un phénomène nouveau et inattendu.

Tout d'abord, l'échantillon a été excité par une impulsion infrarouge, puis mesuré avec une haute résolution temporelle à l'aide de la spectroscopie de photoémission à résolution angulaire (tr-ARPES). "Pour la première fois, nous avons pu observer et caractériser toutes les phases d'excitation, de thermalisation et de relaxation sur des échelles de temps ultra-courtes", explique M. Sánchez-Barriga. Le résultat le plus important : "Les données montrent que l'équilibre thermique entre le système d'électrons et le réseau cristallin est rétabli d'une manière très peu conventionnelle et contre-intuitive", explique l'un des principaux auteurs, Oliver Clark.

Rétablissement de l'équilibre : plus c'est froid, plus c'est rapide

Dans les systèmes métalliques simples, l'équilibre thermique est établi principalement par l'interaction des électrons entre eux et entre les électrons et les vibrations du réseau cristallin (phonons). Ce processus ralentit régulièrement avec la baisse des températures. Dans le tellurure de germanium, cependant, les chercheurs ont observé un comportement opposé : Plus la température du réseau de l'échantillon est basse, plus l'équilibre thermique s'établit rapidement après l'excitation par l'impulsion thermique. "C'était très surprenant", déclare M. Sánchez-Barriga. Grâce à des calculs théoriques dans le cadre de l'approche de Boltzmann effectués par des collaborateurs de la Nanyang Technological University, ils ont pu interpréter les processus microscopiques sous-jacents et distinguer trois processus de thermalisation différents : Les interactions entre électrons au sein d'une même bande, dans des bandes différentes et les électrons avec les phonons.

Applications futures

Il semble que l'interaction entre les électrons domine la dynamique et devient beaucoup plus rapide lorsque la température du réseau diminue. "Cela peut s'expliquer par l'influence du fractionnement de Rashba sur la force des interactions électroniques fondamentales. Ce comportement est applicable à tous les semi-conducteurs de Rashba", déclare Sánchez-Barriga. "Les présents résultats sont importants pour les futures applications des semi-conducteurs de Rashba et de leurs excitations en spintronique ultrarapide."

Note: Cet article a été traduit à l'aide d'un système informatique sans intervention humaine. LUMITOS propose ces traductions automatiques pour présenter un plus large éventail d'actualités. Comme cet article a été traduit avec traduction automatique, il est possible qu'il contienne des erreurs de vocabulaire, de syntaxe ou de grammaire. L'article original dans Anglais peut être trouvé ici.

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