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Posté par Redbran le Mardi 10/05/2016 à 12:00
Un isolant topologique pour la spintronique
CASSIOPÉE: l’électronique de spin s’enrichit des électrons exotiques d’un isolant topologique.

Une équipe de chercheurs de l’Unité Mixte de Physique (La physique (du grec φυσις, la nature) est étymologiquement la « science de la nature ». Dans un sens...) CNRS/Thales et de l'institut (Un institut est une organisation permanente créée dans un certain but. C'est habituellement une institution de recherche. Par exemple, le Perimeter Institute for Theoretical Physics est un tel institut.) du CEA INAC-SP2M, en partenariat avec la ligne de lumière CASSIOPÉE, a démontré le potentiel de l’isolant (Un isolant est un matériau qui permet d'empêcher les échanges d'énergie entre deux systèmes. On distingue : les isolants électriques, les isolants thermiques, les isolants phoniques et...) topologique ?-Sn pour la spintronique. Ils ont pu observer, à température ambiante, une forte conversion de courant de spin (Le spin est une propriété quantique intrinsèque associée à chaque particule, qui est caractéristique de la nature de la particule,...) en courant de charge (La charge utile (payload en anglais ; la charge payante) représente ce qui est effectivement transporté par un moyen de transport donné, et qui donne lieu à un paiement ou un...) (spin to charge current conversion ou SCC) via les états électroniques de surface (Une surface désigne généralement la couche superficielle d'un objet. Le terme a plusieurs acceptions, parfois objet géométrique, parfois frontière...) de l’isolant topologique ?-Sn avec des expériences de pompage (Le pompage est un phénomène aérodynamique qui intervient dans un compresseur. Il s'agit d'une instabilité aérodynamique qui donne naissance à des ondes longitudinales. Une inversion du sens d'écoulement...) de spin par résonance ferromagnétique (TI). Le cône de Dirac associé aux états de surface a été mis en évidence durant la croissance par spectroscopie de photoélectrons résolue en angle (En géométrie, la notion générale d'angle se décline en plusieurs concepts apparentés.) (ARPES) sur la ligne de lumière CASSIOPÉE. Les résultats ont été publiés dans le journal Physical Review Letters.


(a) Caractérisation par ARPES des états d’interfaces de films de ?-Sn (0 0 1) recouverts d’Ag. En haut: tracés d’intensité ARPES du DC selon [110] sur la surface libre du ?-Sn (épaisseur d’environ 30 ML). En bas: traces ARPES après couverture d’a-Sn par 4.3 ou 12 Å d’Ag. La même échelle de couleurs est utilisée dans chacun des graphiques pour représenter l’intensité (unités arbitraires). Le DC subsiste si l’?-Sn est recouvert par l’Ag, et il peut encore être vu si l’interface (Une interface est une zone, réelle ou virtuelle qui sépare deux éléments. L’interface désigne ainsi ce que chaque élément a besoin de...) Sn/Ag est enfouie sous 12 Å de Ag.

(b) Schéma représentant l’expérience de pompage de spin dans le ?-Sn par résonance ferromagnétique (FMR) d’une couche de Fe.

(c) Variation de la largeur (La largeur d’un objet représente sa dimension perpendiculaire à sa longueur, soit la mesure la plus étroite de sa face. En géométrie plane, la largeur est la plus petite des...) de raie FMR en fonction de la fréquence lorsque le champ (Un champ correspond à une notion d'espace défini:) magnétique H est appliqué selon la direction [1 0 0] du substrat InSb, pour des échantillons de InSb/Fe/Au (référence pour la couche Fe) et de InSb/?Sn/Ag/Fe/Au. Le coefficient (En mathématiques un coefficient est un facteur multiplicatif qui dépend d'un certain objet, comme une variable (par exemple, les coefficients d'un polynôme), un espace vectoriel, une fonction de base et ainsi de suite....) d’amortissement effectif du Fe, proportionnel aux pentes, est nettement plus fort dans le cas de l’interface ?-Sn/Ag (?=0,028 à comparer à 0,006 pour le cas de référence, ce qui montre la forte absorption ( En optique, l'absorption se réfère au processus par lequel l'énergie d'un photon est prise par une autre entité, par exemple, un atome qui fait une transition entre...) de spin par l’interface ?-Sn/Ag).

(d) Résonance ferromagnétique et courants de charge, provenant de mesures dans une cavité cylindrique résonnante dans la bande X (Dans les télécommunications radio, la bande X est une plage de fréquences aux alentours de 8 GHz. Elle est attribuée a l'armée. On la retrouve également...), sur des échantillons de InSb/Fe/Au (référence) et de InSb/?-Sn/Ag/Fe/Au. Seul l’échantillon comportant une interface ?-Sn/Ag montre un signal ( Termes généraux Un signal est un message simplifié et généralement codé. Il existe sous forme d'objets ayant des formes...) de courant continu (Le courant continu est un courant électrique indépendant du temps ou, par extension, un courant périodique dont la composante continue est d'importance primordiale) en accord avec l’observation (L’observation est l’action de suivi attentif des phénomènes, sans volonté de les modifier, à l’aide de moyens d’enquête et d’étude appropriés. Le plaisir...) d’un cône de Dirac.

La plupart des composants de l’électronique de spin actuels sont basés sur la manipulation de courants de spin qui, s'ils ne transportent pas de charges électriques, peuvent être décrits comme des courants d’électrons de même intensité, avec des spins opposés aux directions opposées. Les opérations élémentaires en spintronique comprennent, d’une part, la création de courants de spin à partir de courants de charge (courants électriques) et, d’autre part, la détection de courants de spin via leur transformation en courants de charge, autrement dit des conversions entre courants de charge et de spin.

Bien que la spintronique classique implique en général l'utilisation de matériaux magnétiques pour ces conversions, il apparaît aujourd'hui que ces conversions peuvent également être obtenues via l'exploitation du couplage spin-orbite (spin-orbit coupling ou SOC), la correction relativiste apportée à l’équation de la physique quantique, et qui peut être particulièrement forte dans les matériaux contenant des atomes (Un atome (du grec ατομος, atomos, « que l'on ne peut diviser ») est la plus petite partie d'un corps simple pouvant se combiner chimiquement avec une autre....) lourds. Un exemple typique d’effet de SOC est l’effet Hall (L'effet Hall classique a été découvert en 1879 par Edwin Herbert Hall : un courant électrique traversant un matériau baignant dans un champ...) de spin (spin Hall effect ou SHE) dans des métaux lourds, et par lequel un courant de charge peut être converti en un courant de spin transverse. L’effet Hall de spin inverse (En mathématiques, l'inverse d'un élément x d'un ensemble muni d'une loi de composition interne · notée multiplicativement, est un élément y tel que x·y = y·x = 1, si 1 désigne...) (inverse spin Hall effect ou ISHE) est un autre exemple, où la conversion est effectuée dans l’autre sens (SENS (Strategies for Engineered Negligible Senescence) est un projet scientifique qui a pour but l'extension radicale de l'espérance de vie humaine. Par une évolution...). Aujourd’hui, il s’avère qu'une conversion plus efficace peut être obtenue par l'exploitation des propriétés d’un système bidimensionnel électronique induites par le SOC, et ceci au niveau de certaines surfaces et interfaces, à savoir les interfaces dites de Rashba et les surfaces ou interfaces de nouveaux matériaux baptisés isolants topologiques (topological insulators ou TIs). Dans ce cas, la conversion de courant de charge en courant de spin est appelée Effet Edelstein (EE), du nom du scientifique (Un scientifique est une personne qui se consacre à l'étude d'une science ou des sciences et qui se consacre à l'étude d'un domaine avec la rigueur et les méthodes scientifiques.) qui en a fait la première description, et Effet Edelstein inverse (IEE) pour la conversion dans l’autre sens.

Sont présentées ici des expériences de pompage de spin sur des films minces de ?-Sn (0 0 1), un nouveau type de TI récemment identifié. Elles mettent en évidence une efficacité sans précédent pour la SCC par IEE. La SCC par EE et par IEE s'avèrent prometteuses pour la génération et la détection de courants de spin sur lesquels est basée l’électronique de spin. Des échantillons de InSb(001)/?-Sn(001) et InSb(001)/?-Sn(001)/Ag/Fe, composés de couches de ?-Sn(001) comprenant chacune environ 30monocouches (monolayers ou ML), ont été fabriquées par épitaxie par jet moléculaire dans un bâti ultra (ULTra (pour (en)« Urban Light Transport ») est un système de transport individuel de type Personal Rapid Transit (PRT), autrement dit un moyen de transport automatique collectif léger...) vide (Le vide est ordinairement défini comme l'absence de matière dans une zone spatiale.) couplé à la ligne de lumière CASSIOPÉE de SOLEIL (Le Soleil (Sol en latin, Helios ou Ήλιος en grec) est l'étoile centrale du système solaire. Dans la classification astronomique, c'est une étoile de...). L’étude des états électroniques de surface par ARPES pendant la croissance a permis de mettre en évidence la persistance ( Persistance (statistiques) Persistance (informatique) en peinture : La Persistance de la mémoire (1931) en...) du cône de Dirac associé aux états de surface de ?-Sn lors du recouvrement (Un recouvrement d'un ensemble X est un ensemble P de sous-ensembles non vides de X tel que l'union de ces sous-ensembles soit égal à X. Autrement dit P est un recouvrement de X si et seulement si tout...) par une couche d’Ag.

Dans les images de la Fig. 1a obtenues par ARPES, on distingue clairement un cône de Dirac à la surface libre (surface supérieure) du ?-Sn (001), qui subsiste même lorsque le ?-Sn est recouvert d’une couche d’Ag de 1.2 nm.

La structure complète (Fig 1b) pour les études de spin pumping a finalement été achevée in situ. La corrélation entre, d’une part, l’existence d’un DC à la surface du ?-Sn recouvert d’Ag, et d’autre part, une forte conversion de spin en charge, est confirmée par les expériences de pompage de spin (Fig. (1(c) et 1(d)).

Ce résultat prometteur, observé à température ambiante, ouvre la voie pour la réalisation de nouveaux composants d’électronique de spin, et ceci bien que l’origine des états topologiques du ?-Sn TI n’ait pas encore été entièrement élucidée.

D’autres expériences permettront certainement une meilleure compréhension de ce nouvel isolant topologique.

Publication associée:
“Spin to Charge Conversion at Room Temperature by Spin Pumping into a New Type of Topological Insulator: ?-Sn Films.”
Rojas-Sánchez, J. C., Oyarzún, S., Fu, Y., Marty, A., Vergnaud, C. G., S. , Vila, L., Jamet, M., Ohtsubo, Y., Taleb-Ibrahimi, A., Le Fevre, P., Bertran, F., Reyren, N., George, J. M. and Fert, A.
Physical Review Letters, 2016, 116 (9): art.n° 096602

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Source et illustrations: Synchrotron SOLEIL