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Filtrage du spin des électrons à l’aide de nanostructures

Les nanostructures permettent de réaliser au laboratoire des situations physiques modèles. Elles révèlent grand nombre de phénomènes nouveaux grâce à un contrôle très fin des paramètres physiques. Un exemple en est donné par l’effet Kondo : dans une très petite région métallique (« point quantique ») délimitée par des grilles électrostatiques dans un métal bidimensionnel, on fabrique un « atome artificiel » dont on remplit progressivement les niveaux électroniques. Lorsque le dernier niveau occupé porte un seul électron de spin 1/2, l’ajout d’un deuxième électron sur ce niveau est interdit par une barrière d’énergie coulombienne. On a alors réalisé un moment magnétique artificiel.

La présence de deux états de spin ↑ et ↓ de cet lectron sont alors de même énergie, confère à ce système des propriétés très particulières. En effet, lorsque ce point quantique est couplé à deux réservoirs métalliques par des barrières tunnel (Figure 1), les sauts électroniques entre le point quantique et les réservoirs sont capables d’ « écranter » le spin 1/2. Le moment magnétique artificiel n’existe plus, au-dessous d’une température caractéristique appelée « température Kondo ». Et malgré la forte interaction coulombienne sur le point quantique, tout se passe comme si on le remplaçait par un petit grain métallique parfaitement conducteur. La conductance à travers la boîte alors la conductance maximale de 2e2/h autorisée par la physique quantique.
Figure 1

On a découvert depuis que l’effet Kondo peut se produire dès que le « dernier » électron ajouté peut occuper deux états quantiques de même énergie, décrits par exemple par deux fonctions d’ondes localisées dans deux régions distinctes. Il s’agit là d’« effet Kondo orbital », obtenu en couplant cette fois deux points quantiques par une capacité de contact : l’électron est soit dans l’un (état 1), soit dans l’autre (état 2). Mais que dire de son spin ? Il est possible de « geler » celui-ci à l’aide d’un fort champ magnétique qui diminue l’énergie des états ↑ et augmente celle des états ↓.

Figure 2
On peut aller plus loin, et régler les grilles électrostatiques de telle sorte que les deux états de même énergie soient (1↑) et (2↓). Pour cela, il suffit que les potentiels des grilles 1 et 2 « compensent » la différence d’énergie des spins ↑ et ↓ due au champ magnétique. Dans la géométrie de la figure 2, l’effet Kondo peut apparaître, et il a des conséquences inattendues ! En effet, la conductance totale entre la gauche et la droite est maximale, mais les électrons de spin↑sont obligés de passer dans le point 1, tandis que les électrons de spin ↓ doivent passer par le point 2. On a ainsi réussi à séparer un courant d’électrons arrivant par la gauche en deux courants polarisés en spin, avec des aimantations opposées. Ce dispositif, qu’il est possible de fabriquer actuellement, est tout simplement l’équivalent électronique d’une expérience de Stern-Gerlach. Bien qu’il ne fonctionne qu’à des températures inférieures au degré Kelvin, il autorise un grand nombre d’expériences fondamentales qui nécessitent de « filtrer » ou polariser le spin électronique.
Figure 3

L’association du spin et du degré de liberté orbital peut même aller jusqu’à l’« intrication quantique », en formant une superposition cohérente de (1↑) et (2↓). En mettant à profit les interférences quantiques (Figure 3), on peut imaginer d’autres expériences dans lesquelles le spin des électrons peut être manipulé uniquement grâce à des champs électriques et magnétiques.

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