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Posté par Redbran le Mardi 26/09/2017 à 12:00
Amplifier à 100% le signal de spin
Un dispositif à base de graphène amplifie considérablement les signaux de spin.

Des scientifiques soutenus par un financement de l'UE ont créé un dispositif à base de graphène dans lequel des spins électroniques peuvent être injectés et détectés, avec une efficacité sans précédent et à température (La température est une grandeur physique mesurée à l'aide d'un thermomètre et étudiée en thermométrie. Dans la vie courante, elle est reliée aux sensations de froid et de chaud,...) ambiante. Cette avancée ouvre la voie à des applications exploitant une logique (La logique (du grec logikê, dérivé de logos (λόγος), terme inventé par Xénocrate signifiant à la fois raison, langage, et raisonnement) est dans une première approche...) et des transistors basés sur les spins.

Un article publié dans Nature Communications décrit comment cet appareil a permis d'obtenir des spins électroniques, grâce à des interactions entre une couche de graphène (Cet article ne doit pas être confondu avec l’article graphème.) et une couche de nitrure de bore (Le bore est un élément chimique de symbole B et de numéro atomique 5.). Il en résulte une amplification (On parle d'amplificateur de force pour tout une palette de systèmes qui amplifient les efforts : mécanique, hydraulique, pneumatique, électrique.) au centuple du signal ( Termes généraux Un signal est un message simplifié et généralement codé. Il existe sous forme d'objets ayant des formes particulières. Les signaux lumineux...) de spin (Le spin est une propriété quantique intrinsèque associée à chaque particule, qui est caractéristique de la nature de la particule, au même titre que sa masse et sa charge...), ce qui le rend assez puissant pour l'utiliser dans des applications concrètes.

Injection et détection du spin

Le terme "spin" est utilisé pour décrire la propriété magnétique des électrons, qui peut être détectée sous la forme d'un champ magnétique (En physique, le champ magnétique (ou induction magnétique, ou densité de flux magnétique) est une grandeur caractérisée par la donnée d'une intensité et d'une direction, définie en tout...) présentant une orientation (Au sens littéral, l'orientation désigne ou matérialise la direction de l'Orient (lever du soleil à l'équinoxe) et des points cardinaux (nord de la boussole) ;) "up" ou "down". La science (La science (latin scientia, « connaissance ») est, d'après le dictionnaire Le Robert, « Ce que l'on sait pour l'avoir appris, ce que l'on tient pour vrai au sens large. L'ensemble de...) de la spintronique cherche à exploiter ce phénomène, dont l'une des applications les plus courantes est le stockage, le transport (Le transport est le fait de porter quelque chose, ou quelqu'un, d'un lieu à un autre, le plus souvent en utilisant des véhicules et des voies de communications (la route, le canal ..). Par assimilation, des actions de déplacements...) et la manipulation des informations. Mais l'exploitation du spin électronique dans un appareil nécessite un contrôle (Le mot contrôle peut avoir plusieurs sens. Il peut être employé comme synonyme d'examen, de vérification et de maîtrise.) du rapport entre les densités des électrons ayant un spin up ou un spin down, ce que l'on appelle la polarisation ( la polarisation des ondes électromagnétiques ; la polarisation dûe aux moments dipolaires dans les matériaux diélectriques ; En électronique, la...) du spin. Mais il est bien connu que ce contrôle est difficile à exercer et que le rapport entre spins up et down reste faible.

La recherche (La recherche scientifique désigne en premier lieu l’ensemble des actions entreprises en vue de produire et de développer les connaissances scientifiques. Par extension...) présentée dans l'article s'appuie sur les travaux du projet (Un projet est un engagement irréversible de résultat incertain, non reproductible a priori à l’identique, nécessitant le concours et l’intégration...) GRAPHENECORE1 (qui s'inscrit lui-même dans l'initiative Graphene Flagship de l'UE, ayant débutée en 2013 et d'une durée de 10 ans), financé par l'UE. Elle se base sur des recherches en cours concernant le comportement du spin dans différents matériaux (Un matériau est une matière d'origine naturelle ou artificielle que l'homme façonne pour en faire des objets.). Comme le déclare le professeur Bart van Wees de l'Université (Une université est un établissement d'enseignement supérieur dont l'objectif est la production du savoir (recherche), sa conservation et sa transmission (études supérieures). Aux États-Unis, au moment...) de Groningue, directeur de recherche, "La polarisation du spin peut être obtenue en envoyant les électrons à travers un matériau (Un matériau est une matière d'origine naturelle ou artificielle que l'homme façonne pour en faire des objets. C'est donc une matière de base sélectionnée en raison de...) ferromagnétique." On crée ainsi un excédent d'un type de spin. L'étude s'est particulièrement intéressée à l'injection de spins, par laquelle un dispositif reçoit des électrons ayant des spins polarisés, et à leur détection.

L'équipe a démontré qu'elle pouvait réaliser l'injection et la détection d'électrons de spin dans le graphène de façon plus efficace grâce à l'utilisation d'un sandwich de matériaux. Il comprend en son cœur une couche de graphène épaisse d'un atome (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. Il...) appliquée sur une couche isolante de nitrure de bore, qui repose elle-même sur un semi-conducteur (Un semi-conducteur est un matériau qui a les caractéristiques électriques d'un isolant, mais pour lequel la probabilité qu'un électron...) de silicium (Le silicium est un élément chimique de la famille des cristallogènes, de symbole Si et de numéro atomique 14.). Au-dessus du graphène, ils ont appliqué une très fine couche de nitrure de bore de quelques atomes d'épaisseur, pour protéger les électrons se trouvant dans le graphène.

"Le graphène est un très bon matériau pour le transport des spins, mais il ne permet pas de les manipuler", explique le professeur. "Pour injecter des spins dans le graphène, il faut les envoyer à partir d'un matériau ferromagnétique et les faire passer (Le genre Passer a été créé par le zoologiste français Mathurin Jacques Brisson (1723-1806) en 1760.) à travers un 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 les isolants mécaniques. Le contraire d'un...) au nitrure de bore en utilisant l'effet tunnel (L'effet tunnel désigne la propriété que possède un objet quantique de franchir une barrière de potentiel, franchissement impossible selon la mécanique classique. Généralement, la...). Nous avons déterminé que l'utilisation d'un couche de nitrure de bore de deux atomes d'épaisseur se traduisait par une très forte polarisation de spin pouvant atteindre 70 pour cent, soit 10 fois ce qu'on obtient habituellement." Avec la multiplication (La multiplication est l'une des quatre opérations de l'arithmétique élémentaire avec l'addition, la soustraction et la division .) par dix observée de la détection du spin, le signal est au final amplifié d'un facteur 100.

Résultats inattendus et applications potentielles

Un résultat inattendu observé dans les dispositifs produits était que le voltage pouvait augmenter la polarisation, ce qui va à l'encontre de l'idée reçue selon laquelle seul un matériau ferromagnétique peut polariser le spin. Il semble que la polarisation du spin soit générée à partir de l'effet tunnel (Un tunnel est une galerie souterraine livrant passage à une voie de communication (chemin de fer, canal, route, chemin piétonnier). Sont apparentés aux tunnels par leur mode de construction les grands...) utilisé pour injecter les spins dans le graphène des dispositifs créés au cours de la recherche.

Ces résultats ouvrent de nombreuses possibilités. Selon le professeur van Wees, "Nous pouvons maintenant injecter des spins dans le graphène et les mesurer facilement après qu'ils aient parcouru une certaine distance. On pourrait exploiter ce phénomène pour détecter les champs magnétiques qui affecteront le signal de spin." Une autre application possible pourrait être de construire une porte logique ou un transistor à spin.

L'un des principaux objectifs du Graphene Flagship est de développer des techniques pour intensifier la production de graphène de haute qualité, en exploitant les résultats de ses diverses initiatives pour optimiser le flux (Le mot flux (du latin fluxus, écoulement) désigne en général un ensemble d'éléments (informations / données, énergie, matière, ...) évoluant dans un sens commun. Plus précisément le terme est employé dans les domaines...) de travaux et la qualité des produits finis.

Pour plus d'informations, voir:
- Page web (Une page Web est une ressource du World Wide Web conçue pour être consultée par des visiteurs à l'aide d'un navigateur Web. Elle a une adresse Web. Techniquement, une page Web est souvent...) du projet
- Bias induced up to 100% spin-injection and detection polarizations in ferromagnet/bilayer-hBN/graphene/hBN heterostructures

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Source: CORDIS-Europa