Contrôle de l’hélicité de la lumière par
renversement électrique d’aimantation

L’équipe Optoélectronique Quantique du LPCNO (LPCNO INSA-CNRS-UPS, Université de Toulouse), a récemment publié un article dans la revue Nature, portant sur le contrôle de l’hélicité de la lumière par renversement électrique d’aimantation, en collaboration avec plusieurs laboratoires français et internationaux.

Cet article est le fruit d’une activité de recherche menée sur le long terme au sein du LPCNO depuis une vingtaine d’années, à l’interface entre les propriétés optiques des semi-conducteurs et la spintronique, activité à laquelle ont contribué au fil du temps la quasi-totalité des membres de cette équipe, ainsi que plusieurs doctorant(e)s et chercheurs post-doctorants.

Cette avancée concerne les sources de photons polarisés à la demande et permet d’espérer des développements dans plusieurs domaines : communications optiques en espace libre à haut débit et faible consommation d’énergie, analyse de chiralité de molécules, technologies quantiques, écrans 3D, informatique neuromorphique pour l’intelligence artificielle…

Voir aussi l’article publié par le CNRS : https://www.inc.cnrs.fr/fr/cnrsinfo/marier-la-spintronique-et-la-photonique-pour-emettre-de-la-lumiere-polarisee

Actuellement, le contrôle de l’intensité de la lumière émise et des courants de charges dans les matériaux semi-conducteurs est à la base du transfert et du traitement de l’information. En parallèle, l’écriture et le stockage robuste de l’information se font grâce à des mémoires magnétiques qui sont mises en œuvre en utilisant le spin et l’aimantation associée dans des matériaux ferromagnétiques. Ce stockage est basé sur le spin de l’électron pouvant être considéré comme un aimant minuscule, dont l’orientation porte l’information. Jusqu’à présent, il n’y a pas de systèmes hybrides permettant de réunir les différentes fonctionnalités pré-citées des matériaux semi-conducteurs et magnétiques. Le travail effectué au LPCNO à l’INSA de Toulouse, à l’Institut Jean Lamour (CNRS/Université de Lorraine, France), au Laboratoire Albert Fert (France), à l’Université Paris-Saclay (France), en collaboration avec la Ruhr-Universität Bochum (Allemagne), l’Institut des semi-conducteurs et l’Institut de physique (Académie chinoise des sciences), le National Institute of Advanced Industrial Science and Technology (Japon), University of Minnesota (États-Unis), National Renewable Energy Laboratory (États-Unis) et University of Buffalo (États-Unis), constitue un premier pas important vers la mise au point de dispositifs combinant les fonctionnalités d’écriture, de stockage et de transfert de l’information par voie optique.

Cette étude, publiée dans la revue Nature, démontre la possibilité de moduler des informations magnétiques à l’aide d’impulsions électriques tout en les convertissant en un signal lumineux polarisé circulairement dans des diodes électroluminescentes (SpinLEDs), à température ambiante et à champ magnétique appliqué nul. Le principe physique sous-jacent repose sur le transfert du moment angulaire du spin des électrons vers le moment angulaire des photons.

Cette avancée se situe à l’interface entre la spintronique et la photonique. Les résultats concernant ces sources de photons polarisés à la demande permettent d’espérer des développements dans plusieurs domaines : analyse de chiralité de molécules, sources de photons uniques contrôlées par le spin pour les technologies quantiques, écrans 3D…En particulier, ces dispositifs présentent un potentiel intéressant dans le domaine des communications optiques en espace libre, car la modulation par une commande électrique de la polarisation circulaire de la lumière émise, plutôt que son intensité, pourrait s’effectuer à des échelles de temps ultra-rapides, avec un faible consommation d’énergie. L’information portée par l’hélicité (c’est-à-dire le sens de rotation de la composante électrique de la lumière) des photons émis par les spinLEDs se propage sur des distances de plusieurs de dizaines de centimètres, contrairement aux systèmes spintroniques actuels, où l’information portée par le spin se propage à des distances nanométriques ou micrométriques. Ceci pourrait être exploité dans des transmetteurs optiques ultra-rapides et à haut rendement pour les centres de données, les applications Light-Fidelity (LiFi) ou l’informatique neuromorphique pour l’intelligence artificielle. De plus, des diodes lasers semi-conductrices, appelées « spin-lasers », peuvent également être envisagées sur le même principe, avec des débits d’information supérieurs aux diodes lasers actuelles, ce qui ouvrirait la voie à des communications rapides et sur des longues distances. Enfin, on peut également imaginer réduire encore la taille de ces dispositifs à des échelles ultimes en utilisant des matériaux bi-dimensionnels.

Références :
P. A. Dainone, N. Figueiredo Prestes, P. Renucci, A. Bouché, M. Morassi, X. Deveaux, M. Lindemann, J-M. George, H. Jaffrès, A. Lemaître, B. Xu, M. Stoffel, T. Chen, L. Lombez, D. Lagarde, G. Cong, T. Ma, P. Pigeat, M. Vergnat, H. Rinnert, X. Marie, X. Han, S. Mangin, J-C Rojas-Sanchez, J-P Wang, M.C Beard, N.C Gerhardt, I. Zutic and Y. Lu

Controlling the helicity of light by electrical magnetization switching
Nature 627, 783-788 (2024) publié en ligne le 27 mars 2024

• https://rdcu.be/dCFs3
• https://doi.org/10.1038/s41586-024-07125-5

Voir aussi News and Views “Electrons flip a switch on optical communications” S. Hiura, Nature 627, 737 (2024)

Contacts

• Pierre Renucci, Professeur à l’Institut National de Sciences Appliquées de Toulouse (INSA Toulouse), Laboratoire de Physique et Chimie des Nano-Objets (LPCNO) INSA-CNRS-UPS, Université de Toulouse
  Email : renucci@insa-toulouse.fr
• Yuan Lu, Chercheur CNRS à l’Institut Jean Lamour (CNRS/Université de Lorraine)
  Email : yuan.lu@univ-lorraine.fr

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