Mesurer le bruit de spin d’impuretés magnétiques

Des physiciens ont pour la première fois mesuré le bruit de spin d’un ensemble d’un million d’atomes de manganèse situés dans un puits quantique semi-conducteur.

En mesurant les fluctuations spontanées de spin, la spectroscopie de bruit de spin donne accès à des informations précieuses sur le magnétisme nucléaire et les interactions hyperfines. Cette technique, qui ne perturbe pas le système étudié, est en outre adaptée à l’étude des petits systèmes pour lesquels les fluctuations relatives sont importantes. Cette technique avait été jusqu’à présent appliquée à des systèmes pour lesquels les degrés de liberté de spin mesurés étaient directement couplés au rayonnement lumineux utilisé pour la mesure : des atomes en vapeur ou les électrons et trous d’hétérostructures semi-conductrices. Pour la première fois, des physiciens de l’Institut Néel* (CNRS) à Grenoble et du Laboratoire Charles Coulomb - L2C (CNRS/Univ. Montpellier) viennent de détecter le spectre de bruit pour un degré de liberté de spin qui n’est pas couplé directement à la lumière de détection : le spin d’une impureté magnétique dans un solide restait à démontrer. Dans ce travail, publié dans le revue Nature Communications, les chercheurs démontrent la détection de fluctuations de spin de quelques millions d’atomes de manganèse dans un semi-conducteur.

Pour cette expérience, les chercheurs ont réalisé un puits quantique épais de 14 nanomètres et constitué de tellure de cadmium dans lequel un millième des atomes de cadmium sont remplacé par des atomes de manganèse. Les spins électroniques de ces atomes de manganèses interagissent avec celui des excitons du puits quantique et leur transmettent leurs fluctuations. Celles-ci peuvent alors être détectées en mesurant leur effet sur la polarisation d’un faisceau laser sonde. Un traitement numérique du signal mesuré permet alors de révéler le spectre de ces fluctuations entre 5 mégahertz et 1 gigahertz. Les chercheurs ont ainsi mesuré l’effet d’un champ magnétique de faible intensité et l’effet du couplage hyperfin entre le spin des électrons et le spin du noyau de manganèse. Ces spectres sont néanmoins très sensibles à l’environnement cristallin et ils révèlent l’existence de déformations de celui-ci dont l’origine reste à élucider. Ce travail ouvre des perspectives pour la détection optique du spectre de résonance d’un petit nombre de spins, ainsi que pour la caractérisation des déformations locales dans les nanostructures de semi-conducteurs.

* Équipe mixte CNRS/CEA/Université Grenoble Alpes "Nanophysique et semiconducteurs"

Spectres de bruit de spin du manganèse mesurés dans un puits quantique CdMnTe épitaxié sur substrat CdTe.
a) Représentation en niveaux de couleur des spectres de bruit calculés en fonction du champ transverse appliqué.
b) Spectres expérimentaux.
c) Comparaison théorie-expérience à 5 mT (courbe expérimentale en noir, théorique en rouge). Le seul paramètre ajustable est l’élargissement des transitions (15 MHz à mi-hauteur).

En savoir plus
Atomic-like spin noise in solid-state demonstrated with manganese in cadmium telluride
S. Cronenberger, D. Scalbert, D. Ferrand, H. Boukari, J. Cibert Nature
Communications (2015)

Contact chercheur :
Denis Scalbert, Directeur de Recherche CNRS

Actualité diffusée par l’INP/CNRS