Voir un spin unique

La méthode classique pour stocker de l’information numérique est d’utiliser des matériaux magnétiques : soit on modifie la phase du matériau (CD et DVD), soit on oriente son aimantation par un champ magnétique (disques durs). Une idée alternative est d’introduire des éléments magnétiques dans un semiconducteur : on peut, par exemple, localiser des impuretés magnétiques dans des objets de très petite taille (boîtes quantiques de 10 nm de diamètre) et interagir avec eux par un champ électrique, qui dans un semiconducteur produit des paires électron-trou (dont la charge est positive). Ces paires de charges de signes opposés se lient comme des « atomes » : ce sont des excitons. Pour étudier leurs interactions avec des impuretés magnétiques, nous avons isolé une seule boîte quantique contenant un seul ion magnétique et un seul exciton.

Une ou plusieurs boîtes un ou plusieurs ions ?

Une boîte quantique contenant plusieurs ions magnétiques est aisément fabriquée. Elle peut être “excitée” par de la lumière, i.e. un photon qui produit dans un semiconducteur une paire d’électron-trou, c.-à-d. un exciton. Il diffuse (dans l’espace restreint de la boîte) et peut se recombiner en émettant de la lumière. La présence de plusieurs ions magnétiques implique un champ magnétique local variable dans la boite ; l’exciton émettra un photon d’énergie variable suivant l’endroit où il s’est recombiné. Au final, la mesure du spectre de photoluminescence traduit les effets moyens dûs aux interactions entre les moments magnétiques des différents ions. Par conséquent, il n’est pas possible d’avoir une information sur le couplage entre l’exciton et un ion individuel.Dans le même ordre d’idée, si on imagine un ensemble de boîtes quantiques contenant chacune un seul ion magnétique, la réponse globale à une excitation sera également une moyenne. Dans ce cas, c’est la dispersion en taille des boites quantiques qui modifie l’énergie des photons émis. Afin d’observer le comportement d’un unique spin magnétique dans un solide, le seul moyen est d’isoler un exciton près d’un seul ion magnétique. Nous avons confiné l’exciton dans une boîte quantique du semiconducteur CdTe contenant un seul ion de manganèse (voir Fig.1). Ce type de boîte dopée a été fabriqué et étudié en collaboration avec le CEA-Grenoble.


Boîtes quantiques de Tellure de  Cadmium
Ce n’est pas l’image d’un sol lunire, mais celle de boîtes quantiques de CdTe très dispersées (l’image fait 1 micron de coté).Chaque boite mesure une dizaine de nanomètre

L’exciton et la boîte

Le spectre de photoluminescence d’une boîte unique, sans ion à l’intérieur, est composé d’une seule raie fine. Celle-ci correspond à la recombinaison d’un seul électron de spin 1/2 avec un seul trou de spin 3/2, formant un exciton de spin 1.

L’ion, l’exciton et la boîte

Si on ajoute un ion de manganèse dans la boîte, le spectre est modifié : six raies fines sont observées (Fig.2). Ces raies traduisent l’interaction entre l’exciton (qui est une particule de spin 1) et le manganèse de spin 5/2. Initialement, l’aimantation de l’ion manganèse est aléatoire. L’exciton équivaut à un champ magnétique local (de 1.5 teslas). Le moment magnétique de l’ion s’oriente sous l’effet dece champ, il peut prendre 2S+1=6 orientations différentes. A chaque orientation correspondra une énergie du photon émis, et donc une raie dans le spectre.

Vers l’électronique de spin

L’état d’aimantation de l’ion varie au cours du temps de manière statistique, c’est pourquoi nous mesurons les six raies du spectre. Si l’on est capable de fixer l’aimantation du manganèse selon une direction précise, l’exciton devient un moyen de la lire (une seule raie serait alors détectée). Ceci pourrait être un nouveau mode de lecture de mémoires magnétiques.

spectre du système Mn-exciton
Fig. 2 : Un exciton s’approche d’un ion magnétque unique localisé dans la boîte et lui transfère son énergie. Le niveau d’énergie initial de l’ion est alors séparé en six. La désexcitation de cet ion se traduit par l’émission d’un photon à partir d’un des six niveaux. Si on répète n fois la mesure, on obtient le spectre ci-dessus, qui contient six raies.
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