Cartographie de la conversion de la charge de spin dans un gaz d'électrons bidimensionnel
Publié par Redbran le 07/12/2019 à 14:00
Source et illustrations: CEA IRIG

Dans cette étude, des chercheurs de l'Irig démontrent un très grand effet de conversion spin-charge dans un 2DEG généré à la surface de titanate de strontium via le dépôt par pulvérisation d'une couche mince d'aluminium (L'aluminium est un élément chimique, de symbole Al et de numéro atomique 13. C’est un élément important sur la Terre avec 1,5 % de la masse...) 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...) ambiante.

L'électronique classique repose sur une propriété essentielle d'une particule élémentaire (On appelle particules élémentaires les constituants fondamentaux de l'univers décrits par le modèle standard de la physique des particules. Ces particules subatomiques sont dites...), la charge électrique (La charge électrique est une propriété fondamentale de la matière qui respecte le principe de conservation.) de l'électron (L'électron est une particule élémentaire de la famille des leptons, et possèdant une charge électrique élémentaire de signe négatif. C'est un des composants de l'atome.). La spintronique quant à elle permet d'exploiter une propriété supplémentaire de l'électron, le 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...). Alors que la spintronique a traditionnellement compté sur les métaux ferromagnétiques comme générateurs et détecteurs de spin, la spin-orbitronique exploite la conversion du courant de spin en un 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 bénéfice non pécuniaire pour être transporté.) (interconversion spin-charge) rendue possible par le couplage spin-orbite dans les systèmes non magnétiques. Ceci offre de nouvelles possibilités pour un nouveau type de transistor qui repose sur l'écriture d'informations magnétiques par couplage magnétoélectrique, et leur lecture par conversion spin-charge.

Le gaz (Un gaz est un ensemble d'atomes ou de molécules très faiblement liés et quasi-indépendants. Dans l’état gazeux, la matière n'a pas de forme propre...) d'électrons bidimensionnel (2DEG) créé par confinement à 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 connaître de l’autre pour pouvoir fonctionner...) entre deux oxydes isolants est prometteur pour la manipulation des courants de spin car son efficacité de conversion spin-charge est importante. Dans une nouvelle étude, des chercheurs de l'Irig démontrent un très grand effet de conversion spin-charge dans un 2DEG généré à la surface (Une surface désigne généralement la couche superficielle d'un objet. Le terme a plusieurs acceptions, parfois objet géométrique, parfois frontière physique, et est...) de titanate de strontium SrTiO3 (STO) via le dépôt par pulvérisation (Le terme de pulvérisation a été introduit en 1975 par J. M. Steele dans sa thèse de doctorat, à l'université Stanford.) d'une couche mince (Une couche mince est une fine pellicule d'un matériau déposée sur un autre matériau, appelé « substrat ». Le but de la couche mince est de donner des propriétés particulières...) d'aluminium à température ambiante. Ils cartographient la dépendance de cet effet à la structure de la bande d'énergie (Dans le sens commun l'énergie désigne tout ce qui permet d'effectuer un travail, fabriquer de la chaleur, de la lumière, de produire un mouvement.). Enfin, ils montrent que le processus de conversion est amplifié par un effet lié à l'interface entre les deux oxydes effet accru grâce au mélange (Un mélange est une association de deux ou plusieurs substances solides, liquides ou gazeuses qui n'interagissent pas chimiquement. Le résultat de l'opération est une préparation aussi appelée mélange. Les...) orbital et à l'anti-croisement des bandes d'énergie dû à un ordre topologiquement non trivial.


A gauche image STEM de l'empilement STOAl (9Å). À droite cartographies chimiques élémentaires qui montrent la diffusion d'oxygène (L’oxygène est un élément chimique de la famille des chalcogènes, de symbole O et de numéro atomique 8.) suite au dépôt d'aluminium.

Le couplage spin-orbite

Le couplage spin-orbite est un effet relativiste qui couple le spin et le moment orbital de l'électron, et permet de manipuler le spin de l'électron. Son utilisation permet de révolutionner la façon dont fonctionnent les dispositifs spintroniques ou les opérations logiques basées sur le spin.

Résultats

Ces résultats réduisent également la nécessité d'une croissance cristalline de haute qualité de la couche d'oxyde (Un oxyde est un composé de l'oxygène avec un élément moins électronégatif, c'est-à-dire tous sauf le fluor. Oxyde désigne également l'ion oxyde O2-.) d'aluminate de lanthane (LAO) habituellement nécessaire pour la formation du 2DEG à la surface de la STO. De plus, en raison du caractère multi-orbital du STO, une tension (La tension est une force d'extension.) de grille ( Un grille-pain est un petit appareil électroménager. Une grille écran est un élément du tube de télévision. Une grille d'arrêt est...) permet d'accorder la conversion, tant en signe qu'en amplitude (Dans cette simple équation d’onde :). Par rapport aux résultats précédemment obtenus par ces chercheurs, une tension de grille nulle permet d'obtenir une grande conversion et les taux de conversion sont multipliés par 4, de 6 nm à environ 25 nm. Ces résultats indiquent que les oxydes 2DEG sont de solides candidats pour la lecture d'informations basées sur le spin dans les nouvelles conceptions de mémoires et de transistors, et mettent l'accent sur la promesse de la topologie (La topologie est une branche des mathématiques concernant l'étude des déformations spatiales par des transformations continues (sans arrachages ni recollement des structures).) comme nouvel ingrédient pour élargir la portée des oxydes complexes en spintronique.

Références publication:
Vaz DC, Noël P, Johansson A, Göbel B, Bruno FY, Singh G, McKeown-Walker S, Trier F, Vicente-Arche LM, Sander A, Valencia S, Bruneel P, Vivek M, Gabay M, Bergeal N, Baumberger F, Okuno H, Barthélémy A, Fert A, Vila L, Mertig I, Attané JP and Bibes M. Mapping spin-charge conversion to the band structure in a topological oxide two-dimensional electron gas. Nature Materials, 2019
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