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De la spintronique avec un champ électrique

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Par Laurent Sacco, Futura

Dans la foulée du récent Prix Nobel couronnant des travaux à l'origine de la spintronique, des chercheurs du Kavli Institute of Nanoscience ont réussi à contrôler le spin d'un seul électron, non plus avec un champ magnétique, mais avec un champ électrique. Cela pourrait accélérer la mise au point d'un ordinateur quantique.

Image (en microscopie électronique) d’un montage nanométrique en or. Un champ électrique alternatif provoque le mouvement d’un électron piégé. Dans son référentiel, celui-ci subit alors un champ magnétique. © Kavli Institute of Nanosciences

L’ordinateur quantique fait de plus en plus parler de lui car il détient peut-être la clé d'un bond technologique aussi révolutionnaire que celui nous ayant mené de la Pascaline à Internet et aux superordinateurs Cray. D'ailleurs, Steven Spielberg ne s'y est pas trompé, car dans Transformers, cet ordinateur encore futuriste est évoqué pour expliquer les impressionnantes performances des personnages du film.

Cependant, même si l'on sait faire des calculs avec des embryons d'ordinateurs quantiques, on est encore loin de surpasser les capacités des ordinateurs classiques et même de réaliser des dispositifs aussi commodes que ceux couramment utilisés. C'est surtout en liaison avec ce dernier point que la découverte des chercheurs du Kavli Institute of Nanoscience est intéressante.

Dans le cadre de la spintronique, c'est en utilisant le spin de l'électron, et non plus principalement sa charge, que l'on réalise des systèmes électroniques dotés de nouvelles possibilités. Le spin de l'électron, que l'on peut se représenter comme un mouvement de rotation de l'électron sur lui-même, bien que cette image soit trompeuse, dote celui-ci d'un moment magnétique.

Crédit : University of St Andrews

Si l'on note S le vecteur de spin d'un électron, qui indique un sens de rotation pour l'électron comme indiqué sur le schéma ci-dessus, alors ce dernier aura aussi un moment magnétique représenté par le vecteur . Sous l'action d'un champ magnétique B, le vecteur moment magnétique va osciller en effectuant un mouvement de précession autour du champ B. Ce mécanisme est à la base des techniques de résonance magnétique comme la RMN.

Manipuler le spin d'un électron est un bon moyen pour effectuer des calculs quantiques, mais cela reste difficile. Ces calculs font intervenir le fait que, d'après la mécanique quantique, le spin d'un électron peut se retrouver simultanément dans deux états : spin haut et  spin bas. En associant une valeur booléenne 0 ou 1 à ces états, il est alors possible de stocker de l'information sur des configurations de spin de n électrons et d'effectuer en parallèle très rapidement des calculs qui seraient longs avec des ordinateurs classiques.

Katja Nowack, Frank Koppens et Yuli V. Nazarov ont alors eu l'idée d'utiliser des champs électriques oscillants plutôt que des champs magnétiques pour manipuler le spin d'un seul électron dans une boîte quantique. En effet, la réalisation d'un champ électrique et son emploi à l'intérieur de dispositifs de nanoélectronique est bien plus simple à réaliser, et plus facile à contrôler à cette échelle, que pour un champ magnétique.

Mais comment un champ électrique peut-il être employé pour réaliser un effet qui relève normalement du champ magnétique ?

Un effet relativiste

La réponse est simple, il suffit de faire intervenir la théorie de la relativité d'Einstein ! Daprès celle-ci, il n'existe pas un champ électrique et un champ magnétique mais uniquement un champ électromagnétique représenté par un tenseur comportant 6 composantes, que l'on peut voir comme une sorte de matrice ou de super vecteur. Selon l'état de mouvement d'un observateur, celui-ci mesurera plutôt un champ magnétique qu'un champ électrique. De fait, pour un observateur qui se déplacerait avec les électrons donc au repos par rapport à eux, il n'y a qu'un champ électrique mais, à cause de la relativité de l'espace et du temps, un autre observateur, pour qui les électrons forment un courant dans le fil, mesurera un champ magnétique.

C'est en utilisant cet effet que les chercheurs sont arrivés à leur fin d'une façon apparemment paradoxale, manipuler l'orientation d'un moment magnétique avec un champ électrique.