Contrôler le spin grâce aux isolants topologiques

Les propriétés des isolants topologiques, isolants à l’intérieur et conducteurs en surface,  sont scrutées de près pour leur capacité à conduire à la surface des électrons au spin polarisé. En étudiant du Bi2Se3 , Hugo Dil et son équipe ont découvert que l’état de spin à la surface de cet isolant topologique ne variait pas avec son épaisseur. Autrement dit, le passage d’un élément à deux dimensions à celui d’un composant en 3 dimensions n’affecte pas le spin. Plus précisément, la polarisation du spin n’est pas une propriété qui apparait brutalement lorsque l’on passe de la 2D à la 3D, mais se développe de façon progressive à partir d’un état préexistant.

 Hugo Dil, Professeur à l’Ecole Polytechnique de Lausanne, a utilisé le rayonnement Cynchrotron pour analyser ces échantillons. Les chercheurs suisses ont fait croître du Bi2Se3 sur un substrat de InP(111) un matériau connu pour être de bonne qualité. La couche naturelle d’oxyde de l’InP(111) a été retirée par trempage dans de l’acide hydrofluorique. Tout le long de la croissance, la température du substrat était de 300°C, et ce pour tous les échantillons. Ceux-ci ont ensuite été refroidis in situ à environ 15°C pour être finalement recouvert avec du sélénium amorphe. Ce dernier ayant pour but de protéger les échantillons lors du transport. Plusieurs ont été préparés, avec des épaisseurs de Bi2Se3 allant de 2 à 6 fois celle de couches quintuples.  Direction le SLS, Source de lumière synchrotron suisse, pour des mesures par spectroscopie angulaire d’électrons photo-émis. « Il nous a fallu environ deux jours de mesures par échantillons » indique Hugo Dil, précisant que « Cette technique de mesure, la seule permettant une mesure directe,  est lente mais efficace ». Une patience récompensée puisque les observations des scientifiques ont fait l’objet d’une publication dans la revue Physical Review Letters. Ils ont ainsi pu mettre en évidence que le contrôle de l’état de spin était liée à l’interface entre la couche d’isolant et le substrat. Ceci laisse entrevoir que le choix du matériau comme substrat est un paramètre de contrôle. Au contraire, l’épaisseur de la couche d’isolant ne modifie pas l’état de surface.

A ce jour, il n’est pas possible de maîtriser la polarisation du spin, mais ces mesures lèvent le voile sur des comportements prometteurs, avec en ligne de mire la fabrication de composants spintroniques pour lesquels l’état de spin peut être anticipé.