Propriété oubliée de l’électron : Une découverte physique ouvre de nouvelles voies à l’ « Orbitronique »

Christian Tusche | Claus Michael Schneider

Le moment angulaire orbital des électrons a longtemps été considéré comme un phénomène physique mineur, supprimé dans la plupart des cristaux et largement ignoré. Les scientifiques du Centre de recherche de Jülich ont maintenant découvert que dans certains matériaux, il est non seulement préservé, mais qu’il peut même être activement contrôlé. Cela est dû à une propriété de la structure cristalline appelée chiralité, qui influence également de nombreux autres processus dans la nature. Cette découverte pourrait déboucher sur une nouvelle classe de composants électroniques capables de transmettre des informations avec une robustesse et une efficacité énergétique exceptionnelles.

De l’électronique à la spintronique, et maintenant à l’orbitronique : Dans l’électronique classique, c’est principalement la charge de l’électron qui compte. Dans les approches modernes telles que l’informatique quantique et la spintronique, l’accent a été mis sur le spin de l’électron. Aujourd’hui, une autre propriété fait son apparition : le moment angulaire orbital (OAM). En termes simples, l’OAM décrit la façon dont l’électron se déplace à l’intérieur d’un atome – non pas dans une orbite classique, mais comme une distribution mécanique quantique à l’intérieur d’une orbitale.

« Pendant des décennies, le spin a été considéré comme le paramètre clé des nouvelles technologies quantiques. Mais le moment angulaire orbital présente également un grand potentiel en tant que vecteur d’information, et il est nettement plus robuste », indique Christian Tusche, de l’Institut Peter Grünberg (PGI-6) du Forschungszentrum Jülich. Le physicien est l’un des principaux auteurs de l’étude publiée dans la célèbre revue Advanced Materials.

Le moment angulaire orbital est l’un des nombres quantiques fondamentaux de l’électron, au même titre que le spin, qui décrit la rotation apparente de l’électron. Cependant, l’OAM est rarement observable dans les cristaux. Il est généralement supprimé par les champs électriques et magnétiques symétriques du réseau cristallin, un effet connu sous le nom de « quenching ».

Dans les matériaux dits chiraux, tels que le siliciure de cobalt (CoSi) étudié, il en va différemment, comme l’équipe dirigée par Christian Tusche, en collaboration avec des partenaires de Taïwan, du Japon, d’Italie, des États-Unis et d’Allemagne, a pu le démontrer. Le mot « chiral » vient du grec ancien « cheir » qui signifie main. « Ces structures cristallines ne présentent pas de symétrie miroir et sont soit gauchères, soit droitières, tout comme la main humaine. Vous pouvez les tourner dans tous les sens et elles restent des images miroir l’une de l’autre », explique le Dr Tusche. La chiralité est fréquente dans la nature. Les molécules de sucre, les acides aminés et l’ADN présentent tous des structures chirales.

En utilisant la microscopie à haute résolution du moment cinétique et la lumière polarisée circulairement, les chercheurs ont pu résoudre pour la première fois le moment cinétique orbital dans le semi-conducteur chiral, à la fois à l’intérieur du cristal et à sa surface. Pour les mesures, ils ont utilisé le microscope à moment cinétique NanoESCA exploité par le Forschungszentrum Jülich au synchrotron Elettra de Trieste, en Italie. Ils ont découvert que le caractère gaucher ou droitier du cristal affecte de manière prévisible le moment angulaire orbital des électrons.

Nouveau lien entre la structure cristalline et les électrons

« Nos résultats montrent que la structure du cristal influence directement le moment angulaire des électrons – un effet que nous avons pu mesurer directement. Cela ouvre de nouvelles perspectives pour la recherche sur les matériaux et le traitement de l’information », souligne le Dr Ying-Jiun Chen, physicien expérimental à Jülich.

Le Dr Dongwook Go, physicien théoricien à l’Institut Peter Grünberg (IGP-1) de Jülich, ajoute : « Cette découverte est particulièrement importante pour la recherche sur les matériaux et le traitement de l’information : « Cette découverte est particulièrement importante pour le domaine émergent de l’orbitronique, qui utilise le moment angulaire orbital comme vecteur d’information pour la prochaine génération de technologie quantique. »

La texture du moment angulaire orbital qui en résulte se caractérise par des arcs de Fermi de forme différente : des structures ouvertes en forme d’arc qui deviennent visibles dans les représentations de l’espace de moment, telles que générées par la microscopie du moment angulaire. Cela ouvre de nouvelles perspectives d’application : À l’avenir, l’information pourrait être transmise et stockée non seulement par la charge ou le spin des électrons, mais aussi par la direction et l’orientation de leur moment angulaire orbital. Ce que l’on appelle l’orbitronique – l’électronique basée sur les propriétés orbitales – pourrait ainsi constituer la base d’une nouvelle classe d’appareils électroniques.

Un potentiel pour différentes applications

L’UE finance le développement de cette technologie future dans le cadre du projet EIC Pathfinder OBELIX, auquel participe également le professeur Yuriy Mokrousov de l’université de Mayence. Le physicien théoricien est également chef de groupe à l’Institut Peter Grünberg (PGI-1) de Jülich et a contribué aux modèles théoriques fondamentaux de la récente découverte.

Le professeur Claus Michael Schneider est lui aussi très prometteur : « Par exemple, il semble concevable d’utiliser le moment angulaire orbital comme vecteur d’information. On pourrait aussi utiliser la lumière polarisée circulairement pour influencer sélectivement la chiralité d’un cristal, ce qui permettrait d’obtenir un commutateur non mécanique commandé par la lumière, en remplacement du transistor. En outre, le couplage entre le moment angulaire orbital et le spin pourrait permettre une intégration dans les concepts spintroniques existants, par exemple dans les dispositifs quantiques hybrides », explique le directeur de l’Institut Peter Grünberg pour les propriétés électroniques (PGI-6) au Forschungszentrum Jülich.

Kenta Hagiwara, Ying-Jiun Chen, Dongwook Go, Xin Liang Tan, Sergii Grytsiuk, Kui-Hon Ou Yang, Guo-Jiun Shu, Jing Chien, Yi-Hsin Shen, Xiang-Lin Huang, Iulia Cojocariu, Vitaliy Feyer, Minn-Tsong Lin, Stefan Blügel, Claus Michael Schneider, Yuriy Mokrousov & Christian Tusche. Article : « Orbital Topology of Chiral Crystals for Orbitronics » – Adv. Mater. (2025), DOI: 10.1002/adma.202418040

Source : FZ Jülich