Mise en évidence d’un fort couplage spin-orbite pour un électron piégé dans un nanotube de carbone

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Les spécialistes de la spintronique, cette nouvelle électronique qui prend en compte les propriétés du spin de l’électron en plus de sa charge, risquent de devoir reconsidérer l’utilisation des nanotubes de carbone pour développer de nouveaux dispositifs. Une équipe de chercheurs de Cornell University, dont les résultats viennent d’être publiés dans Nature du 27 mars 2008 ont découvert que contrairement à ce à que prévoyait la théorie, le mouvement orbital d’un l’électron dans un nanotube influe sur l’orientation de son spin.

Les scientifiques ont jusque là considéré que les nanotubes de carbone pouvaient être d’excellents objets pour le transport d’électrons polarisés en spin, dans la mesure où le couplage spin-orbite des électrons doit y être quasiment négligeable. L’importance de ce phénomène, qui traduit l’interaction du spin de l’électron avec le champ magnétique produit par son mouvement orbital, varie en effet comme la puissance quatrième du nombre de proton Z du noyau de l’atome. L’effet est donc quasiment négligeable dans les atomes "légers" comme le carbone (Z=6) ou le silicium (Z=14), alors qu’il est beaucoup plus important dans des atomes tels que le cuivre (Z=29), rendant impossible le contrôle de l’orientation du spin dans ces matériaux. En revanche, on a déjà pu montrer dans le silicium que des électrons pouvaient conserver leur spin polarisé sur des distances de plusieurs centaines de microns.

Les récents travaux de Paul McEuen et Daniel Ralph de Cornell University, en collaboration avec Ferdinand Kuemmet d’Harvard et Shahal Ilani du Weizmann Institute of Science en Israël viennent semer le doute en ce qui concerne les nanotubes de carbone, puisqu’ils révèlent que le spin d’un électron unique dans un nanotube apparaît fortement couplé à son mouvement orbital. En appliquant une différence de potentiel aux extrémités d’un nanotube de carbone de 5nm de diamètre et 500nm de long, les chercheurs ont été capables de piéger un électron unique sur une distance d’environ 200 nm, et de déterminer ses niveaux d’énergie en appliquant une seconde polarisation au nanotube. La surprise vient du fait qu’on met ainsi en évidence deux niveaux d’énergie différents, séparés d’un gap de 0,37 meV, alors qu’en l’absence de couplage spin-orbite, on s’attend à ce que les 4 états possibles (dûs aux 2 orientations de spin et deux sens de mouvement orbital) soient de même énergie. Ce résultat est conforté par le fait que lorsqu’on applique en plus un champ magnétique parallèle à l’axe du nanotube, on obtient bien 4 niveaux d’énergie différents comme attendu pour un fort couplage spin-orbite.

Ces résultats laissent présager qu’il sera plus difficile que prévu de contrôler et manipuler le spin de l’électron dans les nanotubes de carbone et de fait de les utiliser en spintronique. Selon l’équipe de chercheurs cependant, ce couplage pourrait amener à de nouveaux types de quantum bits dans lesquels le spin et les degrés de liberté de l’orbite sont liés, et en allant plus loin, ce couplage peut être un nouvel outil jusqu’alors manquant dans les systèmes à base de carbone : le contrôle du spin d’un électron par la manipulation volontaire de son orbite.

Source :


- "Putting a new spin on nanotubes", Nanotechweb.org, 27/03/2008 - http://nanotechweb.org/cws/article/tech/33520 ;jsessionid=55A2837B662759BCE56F90FCBEFA6CBD (inscription nécessaire mais gratuite)
- "Electron spin and orbits in carbon nanotubes are coupled", Physorg.com, 27/03/2008 - http://www.physorg.com/news125767527.html

Rédacteur :

Alban de Lassus, deputy-phys.mst@consulfrance-houston.org - Roland Hérino, attache-phys.mst@consulfrance-houston.org

Voir en ligne : http://www.bulletins-electroniques….