Faire tourner le spin

Publié par Adrien le 18/03/2021 à 09:00
Source: CEA IRIG
L'absorption de spin dans un matériau ferromagnétique dépend de l'orientation du spin par rapport à la magnétisation. Des chercheurs de l'Irig ont créé un dispositif de mesure pour évaluer cette absorption et mettent en évidence qu'elle était plus forte quand le spin (Le spin est une propriété quantique intrinsèque associée à chaque...) des électrons "hors d'équilibre" est perpendiculaire (En géométrie plane, on dit que deux droites sont perpendiculaires quand elles se coupent en...) à l'aimantation du matériau (Un matériau est une matière d'origine naturelle ou artificielle que l'homme façonne...). Cette observation (L’observation est l’action de suivi attentif des phénomènes, sans volonté de les...) a permis d'accéder à des paramètres fondamentaux du transport (Le transport est le fait de porter quelque chose, ou quelqu'un, d'un lieu à un autre, le plus...) de spin, expérimentalement mal connus.

Les dispositifs basés sur l'utilisation du spin des électrons prennent de l'importance en microélectronique. En effet ce spin est complémentaire et distinct de la charge (La charge utile (payload en anglais ; la charge payante) représente ce qui est effectivement...) et peut donc servir de vecteur (En mathématiques, un vecteur est un élément d'un espace vectoriel, ce qui permet...) d'information. Dans un matériau ferromagnétique, caractérisé par une aimantation fixe, les électrons transportant le courant ont leur spin aligné avec celle-ci. Que se passe-t-il quand des électrons de spin non orienté avec l'aimantation sont introduits dans ce matériau ? C'est la question que ce sont posés des chercheurs de l'Irig.

Dans un matériau ferromagnétique caractérisé à l'échelle locale par une aimantation dirigée dans une certaine direction de l'espace, les électrons qui transportent le courant ont leur spin orienté dans un sens (SENS (Strategies for Engineered Negligible Senescence) est un projet scientifique qui a pour but...) identique ou opposé ( En mathématique, l'opposé d’un nombre est le nombre tel que, lorsqu’il est à...) à l'aimantation, ceux de même sens étant majoritaires. À l'équilibre, le rapport entre les deux groupes de spin est fixe. Mais cet équilibre peut être rompu afin de créer un déséquilibre dans cette population de spin. À l'aide de structures particulières, il est par exemple possible d'introduire des électrons de spin opposé à l'aimantation du matériau. Les spins minoritaires sont alors en surnombre. On peut également faire tourner le spin des électrons perpendiculairement à l'aimantation du matériau, sans changer celle-ci. Il y aura alors nécessairement un retour à l'équilibre, et les spins dans la direction perpendiculaire ou en surnombre seront absorbés.

La question que se sont posés les chercheurs de l'Irig est la suivante: est-ce que ces deux types de déséquilibre sont identiques en terme de retour à l'équilibre ? Formulé autrement, est-ce que la direction de l'aimantation joue (La joue est la partie du visage qui recouvre la cavité buccale, fermée par les...) un rôle dans l'absorption ( En optique, l'absorption se réfère au processus par lequel l'énergie d'un photon est prise...) du spin des électrons ?
Mesurer cet effet est plus facile à imaginer qu'à faire. Les physiciens disposent de beaucoup de techniques pour mesurer ce retour à l'équilibre, mais elles sont difficiles à mettre en oeuvre à l'échelle locale. Souvent, des effets parasites viennent compliquer l'interprétation.

En se basant sur leur maîtrise (La maîtrise est un grade ou un diplôme universitaire correspondant au grade ou titre de...) de la lithographie électronique et leur connaissance des matériaux (Un matériau est une matière d'origine naturelle ou artificielle que l'homme façonne pour en...) ferromagnétiques, les chercheurs de l'Irig ont créé un dispositif de mesure pour évaluer cette absorption (voir figure). Ils ont alors pu mettre en évidence que l'absorption était plus forte quand le spin des électrons "hors d'équilibre" est perpendiculaire à l'aimantation du matériau. Cette observation a permis d'accéder à des paramètres fondamentaux du transport de spin, expérimentalement mal connus.


(a) Schéma du dispositif. Le disque gris, au-dessus du fil de cuivre (Le cuivre est un élément chimique de symbole Cu et de numéro atomique 29. Le cuivre...) orange, sert à absorber les spins générés par les fils gris transverses représentant des matériaux ferromagnétiques.
(b) Photographies du dispositif avec et sans nanodisque absorbant.
(c) Signal ( Termes généraux Un signal est un message simplifié et généralement codé. Il existe...) mesuré avec (vert) et sans (bleu) nanodisque.

Références:
Cosset-Chéneau M, Vila L, Zahnd G, Gusakova D, Pham VT, Grèzes C, Waintal X, Marty A, Jaffrès H and Attané JP
Measurement of the spin absorption anisotropy in lateral spin valves.
Physical Review Letters, 2021.
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