La micro-électronique utilise la charge électrique de l’électron pour stocker et traiter l’information. La spintronique, quant à elle, exploite une propriété quantique intrinsèque de l’électron, le spin. Une nouvelle technologie, reposant sur une autre propriété quantique de l’électron appelée « index de vallée », pourrait voir le jour à terme. Une collaboration internationale menée vient de nous permettre de mettre en évidence un phénomène inattendu, couplant spin et index de vallée dans le silicium. Une preuve, s’il en fallait, que ce matériau historique de la micro-électronique n’a pas encore livré tous ses secrets !

Nous avons découvert que l’aptitude des spins à s’aligner sous l’effet d’un champ magnétique extérieur (polarisation de spin), peut être radicalement modifiée par un autre paramètre quantique des électrons : l’ « index de vallée » dans le silicium. L’index de vallée peut être vu comme un pseudo-spin spécifique à la structure du silicium. Nous avons étudié expérimentalement la polarisation des spins électroniques au sein de transistors de silicium fabriqués par la technologie de silicium sur isolant (SOI).

Le dispositif expérimental permet de confiner un gaz d'électrons à l’intérieur d’un plan, où les électrons sont libres de se mouvoir. Dans ce gaz bidimensionnel ont lieu des interactions électriques entre électrons qui augmentent la polarisabilité en spin de l’ensemble et ces interactions sont elles-mêmes affectées par le pseudo-spin de vallée. Ainsi, le champ magnétique nécessaire pour polariser en spin ce gaz est drastiquement modifié par la valeur du pseudo-spin de vallée. La démonstration de ce couplage est une première étape permettant d'imaginer des dispositifs électroniques où l'on contrôlerait le spin à l'aide du pseudo-spin ou inversement.

Ces travaux ont un intérêt très fondamental en physique de l’état condensé. Ils apportent un éclairage inédit sur un des problèmes les plus complexes qu'essaie de résoudre la physique actuelle : un système dans lequel les mouvements des électrons sont fortement corrélés.