Laser, aimant et courant sans fil express
Un film mince d'un composé de bismuth et de sélénium repose sur un substrat. Une impulsion laser d'une durée d'un millionième de milliardième de seconde le frappe. À côté, un aimant est activé, dont le champ est plus faible que celui d'un aimant de frigo. Et à cet instant, un courant électrique apparaît spontanément dans le film, perpendiculaire au champ magnétique.
Ce courant ne circule pas dans des fils — sa naissance est détectée grâce à l'onde térahertz émise par l'échantillon. Plus le champ magnétique est fort, plus le courant est important. C'est le comportement des matériaux à états de surface topologiques : à leur surface, les électrons se déplacent comme sur une autoroute à grande vitesse, où la direction du mouvement est strictement liée au spin — la rotation propre de l'électron.
Lorsque l'impulsion laser éjecte des électrons depuis la profondeur du film, ils se dirigent vers la surface. Ceux avec un spin « vers le haut » s'accumulent près d'une face, ceux avec un spin « vers le bas » près de l'autre. En raison du lien strict entre spin et direction de mouvement, cette séparation de charges se transforme en courant le long de la surface. Le champ magnétique contrôle la manière dont le spin s'oriente en chemin, c'est pourquoi le courant augmente avec le champ.
Mais il a suffi d'ajouter seulement quatre pour cent d'indium au matériau pour que le courant chute brutalement. L'indium détruit ces autoroutes de surface : les électrons ne sont plus liés à la surface, et le pompage de spin disparaît. Cela confirme que le courant naît bien à la surface, et non dans l'épaisseur du film.
Cette méthode — lumière, aimant, mesure de l'onde — permet d'observer le fonctionnement de la conversion spin-charge sans toucher à l'échantillon. Pour la future électronique, où l'information est portée non seulement par la charge mais aussi par le spin, c'est comme une radiographie des matériaux : on voit où le spin se perd et où il fonctionne correctement.
Le rayonnement térahertz émis par l'échantillon se situe entre la lumière infrarouge et les micro-ondes. Il traverse le papier, les vêtements et le plastique, mais pas le métal — c'est pourquoi il est utilisé dans les scanners de sécurité des aéroports.