Les ondes térahertz et l’électronique ultra-rapide

Les scientifiques et ingénieurs ne cessent de développer des dispositifs technologiques toujours plus rapides et puissants. Cependant, il existe un besoin croissant pour des dispositifs électroniques encore plus rapides et efficaces. Une voie prometteuse consiste à tirer parti des ondes térahertz, une partie moins explorée du spectre électromagnétique située entre les régions infrarouge et micro-ondes.

Les ondes térahertz sont particulièrement sensibles aux porteurs de charge dans les systèmes conducteurs, offrant une sonde puissante pour comprendre les propriétés magnétiques des nouveaux matériaux.

Contrôle précis et ultra-rapide des courants de charge induits par la lumière

La quête de l’électronique ultra-rapide et des sources cohérentes de térahertz peut être grandement facilitée par le contrôle précis et ultra-rapide des courants de charge induits par la lumière aux interfaces nanométriques.

Les méthodes existantes, telles que l’effet inverse de Hall spin (ISHE), l’effet inverse de Rashba-Edelstein et l’effet inverse de couple de spin-orbite, convertissent les courants polarisés en spin injectés longitudinalement à partir de matériaux magnétiques en courants de charge transversaux, générant ainsi des ondes térahertz.

Cependant, ces mécanismes relativistes reposent sur des champs magnétiques externes et souffrent de faibles taux de polarisation de spin et d’efficacités de conversion de spin en charge caractérisées par l’angle de Hall de spin.

Une nouvelle approche non relativiste et non magnétique

Dans ce contexte, une nouvelle étude publiée dans Advanced Photonics présente une approche non relativiste et non magnétique qui exploite directement les courants de charge de haute densité déclenchés par la lumière à travers les interfaces.

Ce travail novateur a été mené par des chercheurs du State Key Laboratory of Surface Physics et du Department of Physics and Key Laboratory of Micro and Nano Photonic Structures (MOE) à l’Université Fudan, du Shanghai Research Center for Quantum Sciences et du Center for Advanced Quantum Studies et du Department of Physics à l’Université normale de Pékin en Chine.

Exploiter l’anisotropie électrique des oxydes de rutile conducteurs

L’étude tire parti de l’anisotropie électrique de deux oxydes de rutile conducteurs : le RuO2 antiferromagnétique et le IrO2 non magnétique. Les films monocristallins de ces oxydes peuvent dévier les courants de charge super-diffusifs injectés à partir d’un film mince métallique excité optiquement, les redirigeant de la direction longitudinale à la direction transversale. Ce processus entraîne une génération efficace et large bande d’ondes térahertz.

Platine : un matériau prometteur pour les films minces

Les chercheurs ont utilisé divers métaux pour le film mince, le platine (Pt) s’avérant être le plus prometteur. Ils ont fabriqué des hétérostructures de films minces Pt/RuO2(101) et Pt/IrO2(101) et ont mesuré leurs amplitudes térahertz. Le système à base d’Ir a produit des signaux trois fois plus forts, comparables à ceux générés par des sources térahertz commerciales basées sur des cristaux optiques non linéaires et des commutateurs photoconducteurs.

Avantages de la nouvelle méthode

Contrairement aux approches traditionnelles qui reposent sur la conversion des courants de charge en courants polarisés en spin, la nouvelle méthode tire parti des propriétés inhérentes des matériaux conducteurs, éliminant ainsi le besoin de polarisation de spin. De plus, ce nouveau mécanisme offre une efficacité de conversion térahertz élevée, comparable à celle du mécanisme ISHE.

L’utilisation de matériaux conducteurs à conductivité électrique hautement anisotrope, qui sont facilement disponibles, est essentielle pour améliorer l’efficacité de conversion.

En synthèse

Les implications de cette technologie vont au-delà de la génération efficace d’ondes térahertz. Elle offre des perspectives pour la récupération d’énergie, l’électronique ultra-rapide et la spectroscopie térahertz en exploitant le potentiel des courants de charge de haute densité à travers les interfaces métalliques. Cela conduira à des avancées dans diverses technologies modernes, notamment les cellules solaires, la photosynthèse artificielle et les dispositifs optoélectroniques à haut rendement.

Pour plus de détails, : article de Zhang, Cui, Wang, et al, « Nonrelativistic and nonmagnetic terahertz-wave generation via ultrafast current control in anisotropic conductive heterostructures, » Adv. Photon. 5(5) 056006 (2023), doi 10.1117/1.AP.5.5.056006.