Spintronique des exitons triplets dans la limite quantique – SPINEX_1

Les propriétés des photoexcitations dans les cellules solaires organiques dépendent fortement d'un degré de liberté purement quantique: le spin. Le spin contrôle les processus de génération et de recombinaison possible pour les différentes états excités qui determinent la performance des dispositifs. Les excitons triplets jouent un rôle crucial dans le fonctionnement des dispositifs photovoltaïques puisqu'ils donnent un moyen de dépasser les limites conventionnelles de rendement énergétique grâce au mécanisme de fission excitonique qui permet de générer deux excitons singlet par photon absorbé.

Les signatures en spin spécifiques des excitons triplets les rendent particulièrement bien adaptés à des études par des techniques de résonance de spin. Nous proposons de sonder les propriétés quantiques fondamentales de la fission excitonique en couplant des excitons triplets à un résonateur supraconducteur. À basse température, l'interaction avec un résonateur supraconducteur peut conduire à la formation de nouveaux états quartets ou deux excitons triplets précessent ensemble. Comme la fission excitonique est fortement influencée par l’environnement moléculaire local, nous proposons aussi une combinaison de techniques optiques et micro-ondes pour sonder les propriétés d'un faible nombre de paires d'excitons triplets générés par fission. Cette approche devrait permettre une étude quantitative de l'importance de l'ordre moléculaire local et de la morphologie.

Les excitons triplets sont des porteurs de spin neutre ne portant pas de charge électrique, ils peuvent donc permettre de créer des sources de courant de spin très bien définies sans courant de charge associé. Nous proposons plusieurs architectures pour tenter de détecter le courant de spin porté par des excitons triplets, en utilisant des dispositifs à base d'effet spin Hall inverse ou des dispositifs mesoscopiques qui peuvent être très sensibles à l'ordre magnétique local (supraconductivite mesoscopique, points quantiques, ...). Nous montrons des données expérimentales préliminaires qui suggèrent la possibilité d'observer un effet spin-Hall inverse lie à un courant de spin excitonique dans des films minces de platine.

Afin de rapprocher nos experiences de physique fondamentale au problème plus appliqué de production d’énergie électrique dans les cellules solaires
organiques, nous commencerons des recherches sur l'utilisation de résonateurs électromagnétiques diélectriques pour étendre le domaine accessible à notre technique fondée sur l'utilisation de résonateur avec de hauts facteurs de qualité jusqu’à la température ambiante. Une application de cette approche sera l’étude du couplage entre les excitons triplets et des nanocristaux semi-conducteurs qui est très importante pour réussir à faire des dispositifs qui profitent pleinement des rendements théoriques potentiels permis par la fission excitonique.

Enfin les propriétés de spin sont très activement étudiées dans le contexte du traitement de l'information quantique ou des temps de cohérence importants sont primordiaux. Les électrons piégés a la surface de l’hélium 4 liquide ont en théorie de temps de cohérence de phase records en vue d'une absence totale d'interactions hyperfine et d’impuretés magnétiques. Je propose de coupler le spin des électrons à la surface de l’hélium à des spins photo-induits dans les organiques. Le spin des électrons peut alors fournir une sonde ultra-sensible aux excitations de spin dans les organiques, réciproquement la possibilité de manipulation optique du spin dans les organiques fournit une approche intéressante pour mieux contrôler le spin des électrons sur l’hélium tout en gardant leurs propriétés de cohérence remarquables.