Conversion entre courant de charge et courant de spin: l'efficacité des systèmes bidimensionnels
Publié par Redbran le 25/11/2019 à 14:00
Source: CNRS INP
La conversion de courant de charge (courant électrique) à courant de spin (aimantation transportée par électrons) et la conversion inverse sont les opérations de base des dispositifs de spintronique. Les auteurs décrivent comment comparer l'efficacité des deux types de conversion. Ils montrent la meilleure efficacité des systèmes bidimensionnels comparés aux systèmes tridimensionnels et aussi l'erreur fréquente des interprétations de conversions bidimensionnelles.


a. Illustration de la conversion de courant de charge en courant de spin (Le spin est une propriété quantique intrinsèque associée à chaque particule, qui est caractéristique de la nature de la particule, au...) par 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 magnétique engendre une tension perpendiculaire à ceux-ci.) de spin dans un métal (Un métal est un élément chimique qui peut perdre des électrons pour former des cations et former des liaisons métalliques ainsi que des liaisons ioniques dans le cas...) nonmagnétique lourd, d'après Niimi and Otani, Rep. Prog. Phys. 78, 124501 (2015).
b. Production du courant de charge à partir de courant de spin dans différents systèmes 3D (Au, AuW, Pt et AuTa) et 2D (isolant topologique α-Sn et 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...) Rashba Ag/Bi). Le courant de spin est injecté par la même méthode et sous les mêmes conditions dans tous les systèmes.

La spintronique élargit le domaine l'électronique en exploitant non seulement la charge mais aussi, le spin et donc l'aimantation 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.). Au début de la spintronique, les conversions entre courant de charge et courant de spin ont été réalisées par le filtrage de spin dans des métaux magnétiques. Aujourd'hui, des conversions plus efficaces sont obtenues en utilisant des effets du couplage spin-orbite, une correction relativiste à la physique (La physique (du grec φυσις, la nature) est étymologiquement la « science de la nature ». Dans un sens général et...) quantique. Dans les métaux non-magnétiques lourds tridimensionnels (3D) tels que le platine (Le platine est un élément chimique de symbole Pt et de numéro atomique 78.) ou le tungstène (Le tungstène est un élément chimique du tableau périodique de symbole W (de l'allemand Wolfram) et de numéro atomique 74.), le couplage spin-orbite est important et un courant de charge 3D peut se convertir en courant de spin 3D par l'effet Hall de spin (figure a). Dans les systèmes bidimensionnels (2D) tels que les gaz (Un gaz est un ensemble d'atomes ou de molécules très faiblement liés et quasi-indépendants. Dans l’état gazeux, la...) d'électrons à la surface (Une surface désigne généralement la couche superficielle d'un objet. Le terme a plusieurs acceptions, parfois objet...) de matériaux (Un matériau est une matière d'origine naturelle ou artificielle que l'homme façonne pour en faire des objets.) dits isolants topologiques, la brisure de symétrie due à la surface verrouille les degrés de liberté de mouvement et de spin des électrons et génère des conversions très efficaces entre courant de charge 2D et courant de spin 3D (effet Edelstein). Des conversions semblables existent aussi à certaines interfaces entre matériaux (interfaces Rashba).

Il est important de pouvoir comparer les taux de conversion des systèmes 3D et 2D pour sélectionner les meilleurs systèmes qui pourront être intégrés dans des dispositifs ou des expériences. Cependant, on ne peut pas paramétrer les conversions de courants 2D avec les paramètres habituels pour courants 3D, comme cela est improprement fait dans beaucoup d'articles en rendant confuse la situation (En géographie, la situation est un concept spatial permettant la localisation relative d'un espace par rapport à son environnement proche ou non. Il inscrit un lieu dans un cadre plus...) actuelle. Dans ce travail, des physiciens 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.) Jean Lamour (IJL, CNRS/Univ. Lorraine) à Nancy et de l'Unité mixte de physique CNRS (Le Centre national de la recherche scientifique, plus connu sous son sigle CNRS, est le plus grand organisme de recherche scientifique public français (EPST).)/Thales à Palaiseau montrent une façon simple de paramétrer les conversions et de comparer quantitativement les efficacités de conversion dans les systèmes 3D et 2D. Ils comparent les résultats expérimentaux de divers systèmes et, par exemple, mettent en évidence une efficacité de production d'un courant de charge 10 fois plus grande avec l'isolant (Un isolant est un matériau qui permet d'empêcher les échanges d'énergie entre deux systèmes. On distingue : les isolants électriques, les...) topologique α-Sn par rapport au métal Pt (figure b). L'intérêt des systèmes 2D pour des conversions efficaces et le développement de composants de spintronique à faible consommation apparait ainsi nettement.

Références:
Compared efficiencies of conversions between charge and spin current by spin-orbit interactions in two- and three-dimensional systems. Juan Carlos Rojas-Sanchez et Albert Fert, Physical Review Applied, le 17 mai 2019.
DOI: 10.1103/PhysRevApplied.11.054049.

Contact chercheur:
Juan-Carlos Rojas-Sanchez- Chargé de recherche (La recherche scientifique désigne en premier lieu l’ensemble des actions entreprises en vue de produire et de développer les connaissances...) au CNRS, Institut Jean Lamour
juan-carlos.rojas-sanchez at univlorraine.fr
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