Injection de Spin pour l’émission de lumière polarisée – INSPIRE

Les électrons possèdent une charge et un spin, toutefois jusqu'à récemment, ces deux observables physiques ont été considérées séparément. En électronique traditionnelle, les charges sont manipulées par un champ électrique mais le spin demeure ignoré. Par ailleurs, des technologies classiques comme l’enregistrement magnétique utilisent le spin sous sa manifestation macroscopique qu’est l’aimantation des matériaux ferromagnétiques. Cette partition a commencé à changer en 1988 avec la découverte de la magnétorésistance géante (GMR) dans des multicouches ferromagnétiques qui a ouvert la voie au contrôle efficace du déplacement des électrons en agissant sur leur spin via le contrôle de l’orientation de l’aimantation. Ceci a rapidement conduit au développement d’un nouveau champ de recherche, appelé aujourd’hui spintronique, qui comme la GMR exploite l’influence du spin sur le déplacement des électrons. Dans le cas des matériaux ferromagnétiques associés aux matériaux métalliques ou isolants ceci à conduit aux applications remarquables que l’on connaît dans le domaine de l’enregistrement magnétique (tête de lecture) et des mémoires non volatiles (MRAM).
L’électronique de spin avec des matériaux semi-conducteurs a progressé de manière à peu près similaire et a connu un certain nombre d’avancées durant les dix dernières années. L’ambition de ce projet, dans la continuité de ce domaine de recherche, est d’explorer la possibilité de convertir un signal électrique polarisé en spin en un signal optique polarisé circulairement. L’idée générale est de réaliser un VECSEL (Vertical External Cavity Surface Emitted Laser) à modulation de lumière polarisée par pompage électrique via un courant de spin injecté depuis un contact ferromagnétique. On peut d’ores et déjà anticiper que la capacité à moduler ou contrôler la polarisation de la lumière émise peut être mise à profit dans un certain nombres d’applications comme les systèmes à détection cohérente, la communication optique large bande, la communication sécurisée et la cryptographie ainsi que les commutateurs optiques. Afin de progresser dans ce domaine et en vue d’une optimisation future des dispositifs que nous proposons de réaliser, il apparaît nécessaire de poursuivre une recherche plus amont sur les phénomènes d’injection de spin, sur les différents mécanismes de relaxation de spin, sur la dynamique temporelle des signaux de sorties. La réponse expérimentale concernant les mécanismes d’injection de détection ainsi que la distance et la vitesse de commande d’un courant de spin dans des matériaux III-V sera un élément déterminant du projet.
Celui ci fait suite a un précédent projet PNANO MOMES qui s’est achevé en Avril 2009. Il réunissait 7 partenaires différents et couvrait très largement la recherche fondamentale dans le domaine de l’électronique de spin associant matériaux ferromagnétiques et semi conducteurs.Le projet actuel a l’ambition de se focaliser sur un des points de réussite du précédent projet que nous avons identifié comme devant être poursuivi. 3 des 4 partenaires acteurs de INSPIRE été impliqués dans MOMES ce qui représente un atout majeur pour la synergie et la réussite de notre projet. En effet, nous possédons la maîtrise de la fabrication d’injecteurs de spin sur des semi-conducteurs III-V de très grande efficacité, en l’occurrence CoFeB/MgO, et nous avons déjà démontré un fort taux de conversion de courant de spin en lumière polarisé dans des expériences d’électroluminescence polarisée obtenues sur des dispositifs de type spin-LED. L’étape suivante proposée dans le cadre du projet INSPIRE est d’étendre cette réalisation à l’émission laser de VECSEL. En ce sens, la participation active du nouveau partenaire THALES dans ce domaine est un atout supplémentaire qui bénéficiera également au transfert technologique d’une recherche fondamentale vers une recherche plus appliquée.