Les scientifiques ont utilisé des impulsions électriques pour manipuler des informations magnétiques en un signal lumineux polarisé, une découverte qui pourrait révolutionner les télécommunications optiques longue distance, notamment entre la Terre et Mars.
La percée, décrite dans une étude publiée dans Nature, concerne le domaine de la spintronique, qui vise à manipuler le spin des électrons afin de stocker et traiter des informations.
Les chercheurs ont appliqué une impulsion électrique pour transférer ces informations de spin des électrons aux photons, les particules qui composent la lumière, permettant ainsi à l'information d'être transportée sur de grandes distances à grande vitesse. Leur méthode répond à trois critères cruciaux – fonctionnement à température ambiante, absence de champ magnétique et capacité de contrôle électrique – et ouvre la porte à une gamme d’applications, notamment les communications ultrarapides et les technologies quantiques.
«Pendant des décennies, nous rêvions et prévoyions des dispositifs spintroniques à température ambiante allant au-delà de la magnétorésistance et du simple stockage d'informations. Avec la découverte de cette équipe, nos rêves deviennent réalité », déclare le co-auteur de l'étude, Igor Žutić, professeur émérite SUNY de physique à l'Université de Buffalo.
L'étude a été menée par l'Institut Jean Lamour, une unité mixte du Centre national de la recherche scientifique (CNRS) et de l'Université de Lorraine. D'autres contributeurs représentent des universités et instituts en France, en Allemagne, au Japon, en Chine et aux États-Unis.
Les appareils spintroniques pourraient remplacer l’électronique conventionnelle
En spintronique, utilisée avec succès dans les disques durs magnétiques des ordinateurs, l'information est représentée par le spin de l'électron et, par son intermédiaire, la direction de l'aimantation.
Les ferromagnétiques, comme le fer ou le cobalt, possèdent un nombre inégal d'électrons dont les spins sont orientés le long ou contre l'axe de magnétisation. Les électrons avec un spin le long de la magnétisation se déplacent en douceur à travers un ferromagnétique, tandis que ceux avec une orientation de spin opposée rebondissent. Cela représente des informations binaires, 0 et 1.
Le changement de résistance qui en résulte est le principe clé des dispositifs spintroniques, dont l’état magnétique, qui peut être considéré comme une information stockée, est maintenu indéfiniment. Tout comme un aimant de réfrigérateur n’a pas besoin d’énergie pour rester collé à la porte, les appareils spintroniques nécessiteraient beaucoup moins d’énergie que l’électronique conventionnelle.
Cependant, comme si l’on sortait un poisson de l’eau, les informations sur le spin sont rapidement perdues et ne peuvent pas voyager très loin lorsque les électrons sont retirés du ferromagnétique. Cette limitation majeure peut être surmontée en utilisant la lumière via sa polarisation circulaire, également appelée hélicité, comme autre porteur de spin.
Tout comme les humains utilisaient il y a des siècles des pigeons voyageurs pour transporter des communications écrites plus loin et plus rapidement que ce qui pouvait être fait à pied, l’astuce consisterait à transférer le spin des électrons aux photos, le quantum de la lumière.
Les Spin-LED répondent à trois critères
La présence d'un couplage spin-orbite, qui est également responsable de la perte d'informations sur le spin en dehors du ferromagnétique, rend un tel transfert possible. Le chaînon manquant crucial est alors de moduler électriquement la magnétisation et ainsi de modifier l’hélicité de la lumière émise.
« Le concept des LED spin a été initialement proposé à la fin du siècle dernier. Cependant, pour passer à une application pratique, il doit répondre à trois critères cruciaux : un fonctionnement à température ambiante, l'absence de champ magnétique et la capacité de contrôle électrique », explique l'auteur correspondant de l'étude, Yuan Lu, chercheur principal au CNRS à Institut Jean Lamour.
« Après plus de 15 ans de travail dévoué dans ce domaine, notre équipe collaborative a réussi à surmonter tous les obstacles. »
Les chercheurs ont réussi à commuter la magnétisation d’un injecteur de spin par une impulsion électrique utilisant le couple spin-orbite. Le spin de l'électron est rapidement converti en informations contenues dans l'hélicité des photons émis, permettant une intégration transparente de la dynamique de magnétisation avec les technologies photoniques.
Cette conversion spin-photon contrôlée électriquement est désormais réalisée dans l’électroluminescence des diodes électroluminescentes. À l'avenir, grâce à la mise en œuvre dans semi-conducteur Diodes laser, appelées lasers à spin, ce codage d'informations très efficace pourrait ouvrir la voie à une communication rapide sur des distances interplanétaires puisque la polarisation de la lumière peut être conservée lors de la propagation spatiale, ce qui en ferait potentiellement le mode de communication le plus rapide entre la Terre et Mars.
Cela bénéficiera également grandement au développement de diverses technologies avancées sur Terre, telles que la communication et le calcul quantiques optiques, l’informatique neuromorphique pour l’intelligence artificielle, les émetteurs optiques ultrarapides et hautement efficaces pour les centres de données ou les applications Light-Fidelity (LiFi).
"La réalisation d'injecteurs de spin spin-orbite-couple est une étape décisive qui fera progresser considérablement le développement de lasers à spin ultrarapides et économes en énergie pour la prochaine génération de technologies de communication optique et quantiques", déclare le co-auteur Nils Gerhardt, professeur à la Chaire de Photonique et Térahertz Technologie à l'Université de la Ruhr à Bochum.