La «résonance paramagnétique balistique» propose une approche innovante du basculement du spin
Des chercheurs en Allemagne et au Canada ont mis au point une nouvelle technique appelée «résonance paramagnétique balistique» qui «bascule le spin» des électrons non appariés sans utiliser de champs d'oscillation, lourds à générer sur des puces. Cette méthode innovante, publiée dans la revue Nature, représente une étape supplémentaire vers le contrôle des spins des semi-conducteurs, et a, en outre, des répercussions pour l'informatique quantique. Cela fait environ 70 ans que les scientifiques étudient le spin des électrons. La résonance paramagnétique des électrons décrit le basculement du spin chez des électrons non appariés (également appelés radicaux). C'est l'induction de la résonance paramagnétique de l'électron en utilisant des champs magnétiques à hautes fréquences qui a rendu possible l'étude de la physique quantique. Cet outil est appréciable car le champ magnétique peut être utilisé afin de contrôler des transitions entre l'état de spin d'électrons non appariés. Toutefois, le spin peut être induit dans certains matériaux grâce à des champs électriques à hautes fréquences; l'oscillation des électrons eux-mêmes crée un champ magnétique capable d'agir sur le spin des électrons. Des études préalables utilisant des champs électriques externes ont réussi à basculer des spins dans certains matériaux, dont des gaz d'électrons à deux dimensions et des «points quantiques», Mais le problème est que les champs d'oscillation sont lourds à générer sur une puce. Au cours de ces dernières recherches, le Dr Sergey Frolov de l'University of British Columbia au Canada et ses collègues allemands ont abordé le problème de façon originale, espérant manipuler des spins sans utiliser de champ magnétique. Leur méthode a permis de produire l'effet recherché en utilisant un champ statique, ce qui est extrêmement séduisant pour des applications électroniques. Des expériences effectuées par la suite ont confirmé l'efficacité de la technique. Cette nouvelle «résonance paramagnétique balistique» implique de faire rebondir des électrons d'avant en arrière dans les minuscules canaux d'un semi-conducteur à deux dimensions. La résonance du spin est créée en utilisant le champ magnétique généré comme sous-produit de l'interaction entre le spin des électrons et leur orbite. Les rebonds répétés des électrons contre les parois du canal font osciller le champ magnétique avec efficacité. La fréquence de cette oscillation se révèle appréciable pour les applications de la résonance paramagnétique. L'inconvénient de cette méthode réside dans le fait que, si elle parvient à basculer les électrons, elle le fait de façon aléatoire. Les spins ne peuvent être manipulés avec une orientation spécifique. La raison en est peut-être que les impuretés générées par les électrons se collent aux parois des canaux et rendent la trajectoire des rebonds trop incertaine. Les électrons quittent les parois selon des angles différents. De futures études utiliseront des matériaux encore plus propres et incorporeront également des techniques concentrées sur les électrons, ce qui permettra aux chercheurs de mieux définir l'angle et la fréquence des rebonds. Le Dr Lieven Vandersypen de l'université de technologie de Delft aux Pays-Bas fait remarquer dans un commentaire: «À l'avenir, on peut imaginer que la technique de basculement des spins mise au point par les auteurs pourra être appliquée à des circuits électroniques à semi-conducteurs entiers, dans lesquels des informations sont encodées dans l'état de spin des électrons. C'est la vision des champs de spintronique, qui a déjà ouvert la voie à des découvertes telles que la 'magnétorésistance géante' et la miniaturisation des lecteurs de disque dur qui en a découlé.»
Pays
Canada, Allemagne