Magnétorésistance unidirectionnelle et germanium

Publié par Redbran le 23/03/2020 à 14:00
Source et illustration: CEA IRIG

Des chercheurs de l'lnstitut de recherche interdisciplinaire de Grenoble (lRlG) proposent une nouvelle théorie pour expliquer leurs résultats dans laquelle la magnétorésistance unidirectionnelle trouverait son origine dans le gaz bidimensionnel d'électrons où le spin (Le spin est une propriété quantique intrinsèque associée à chaque particule, qui est caractéristique de la nature de la...) de ces électrons s'aligne perpendiculairement à leur déplacement ( En géométrie, un déplacement est une similitude qui conserve les distances et les angles orientés. En psychanalyse, le déplacement est mécanisme de défense déplaçant la valeur, et finalement le sens ...). Le phénomène permettrait à l'UMR d'être utilisée dans des dispositifs spintroniques tels que les transistors à spin.

La magnétorésistance, une résistance induite par un champ magnétique (En physique, le champ magnétique (ou induction magnétique, ou densité de flux magnétique) est une grandeur caractérisée...), est souvent associée aux matériaux (Un matériau est une matière d'origine naturelle ou artificielle que l'homme façonne pour en faire des objets.) magnétiques. Cet effet a été mis en pratique en géophysique, par exemple, pour la réalisation de capteurs (Un capteur est un dispositif qui transforme l'état d'une grandeur physique observée en une grandeur utilisable, exemple : une tension électrique, une hauteur de mercure, une intensité, la déviation...). Les recherches en magnétorésistance ont également de nombreuses applications en informatique (L´informatique - contraction d´information et automatique - est le domaine d'activité scientifique, technique et industriel en rapport avec le traitement automatique de l'information par des...) et dans les télécommunications (Les télécommunications sont aujourd’hui définies comme la transmission à distance d’information avec des moyens électroniques. Ce terme est plus utilisé que le terme synonyme...). Mais c'est surtout avec la découverte de la magnétorésistance géante (Une étoile géante est une étoile de classe de luminosité II ou III. Dans le diagramme de Hertzsprung-Russell, les géantes forment deux branches...) que les applications les plus importantes sont arrivées, notamment pour les têtes de lecture des disques d'ordinateurs. Récemment, un nouvel effet a été identifié et appelé magnétorésistance unidirectionnelle (UMR). Cet effet existe dans les matériaux non magnétiques comme le germanium (Le germanium est un élément chimique de la famille des cristallogènes, de symbole Ge et de numéro atomique 32.), 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 propriétés particulières et...) utilisé usuellement en micro-électronique (La micro-électronique est une spécialité du domaine de l'électronique.).

L'UMR a été observée pour la première fois en 2017 sur des systèmes qui n'étaient pas intrinsèquement magnétiques. Son effet se caractérise par une augmentation ou une diminution de la résistance en fonction de l'intensité et du 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 progressive allant du ralentissement du vieillissement,...) du courant électrique (Un courant électrique est un déplacement d'ensemble de porteurs de charge électrique, généralement des électrons, au sein d'un matériau conducteur. Ces déplacements sont...) et du champ (Un champ correspond à une notion d'espace défini:) magnétique appliqués. Il en résulte un alignement des spins des électrons dans une direction perpendiculaire (En géométrie plane, on dit que deux droites sont perpendiculaires quand elles se coupent en formant un angle droit. Le terme de perpendiculaire vient du latin per-pendiculum (fil à...) à leur moment.
Le germanium (Ge) dans lequel a été réalisé le premier transistor est couramment utilisé en micro-électronique avec le silicium (Le silicium est un élément chimique de la famille des cristallogènes, de symbole Si et de numéro atomique 14.). Dans cette nouvelle étude, les chercheurs de notre institut (Un institut est une organisation permanente créée dans un certain but. C'est habituellement une institution de recherche. Par exemple, le Perimeter...) [collaboration], mettent en évidence l'existence de l'UMR dans le Ge. Certes, cet effet avait déjà été observé sur deux autres matériaux non magnétiques d'usage (L’usage est l'action de se servir de quelque chose.) plutôt rares et exotiques, mais il est 100 fois plus intense avec le germanium !

Pour mesurer l'UMR dans le germanium, les chercheurs ont fait croître une couche de Ge suivant une direction cristalline particulière, sur un substrat de silicium. Afin d'étudier la magnétorésistance dans le Ge, ils ont fait passer (Le genre Passer a été créé par le zoologiste français Mathurin Jacques Brisson (1723-1806) en 1760.) un courant à travers la couche de germanium et appliqué un champ magnétique externe. Ils ont alors mesuré la résistance et constaté qu'elle dépendait du courant et du champ ; l'UMR étant maximale lorsque le courant est perpendiculaire au champ magnétique.

Les chercheurs proposent une nouvelle théorie (Le mot théorie vient du mot grec theorein, qui signifie « contempler, observer, examiner ». Dans le langage courant, une théorie est une idée ou une connaissance spéculative, souvent basée sur l’observation ou...) pour expliquer leurs résultats dans laquelle l'UMR trouverait son origine dans 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...) bidimensionnel d'électrons qui se forme 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 souvent abusivement confondu avec sa mesure, sa...) du matériau. Le spin de ces électrons s'aligne perpendiculairement à leur déplacement. Le phénomène, modélisé de façon satisfaisante en collaboration avec l'Unité CNRS-Thales, pourrait permettre à l'UMR d'être utilisée dans des dispositifs spintroniques tels que les transistors à spin.

Notes:

Collaboration avec l'Unité mixte de Physique (La physique (du grec φυσις, la nature) est étymologiquement la « science de la nature ». Dans un sens général et ancien, la physique...) CNRS-Thales de Palaiseau et le L-NESS (Laboratory for Nanostructure Epitaxy and Spintronics on Silicon) de Milan (Milan (en italien Milano, du latin Mediolanum, en lombard Milàn) se situe dans le nord de l'Italie. Capitale de la région de Lombardie, au centre de la plaine du Pô, la ville...).

À la surface d'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 puisse contribuer à un courant électrique, quoique...) ou 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...) entre deux semi-conducteurs dopés (i.e. auxquels des impuretés sont ajoutées en petites quantités afin de modifier leurs propriétés de conductivité) il peut se former un gaz bidimensionnel d'électrons à cause du paysage (Étymologiquement, le paysage est l'agencement des traits, des caractères, des formes d'un espace limité, d'un « pays ». Portion de l'espace terrestre saisi horizontalement par un observateur, il implique un...) électrostatique (L'électrostatique traite des charges électriques immobiles et des forces qu'elles exercent entre elles, c’est-à-dire de leurs interactions.) particulier. Le confinement est tel que l'on peut considérer que ce gaz est strictement bidimensionnel.


Références:
Guillet T, Zucchetti C, Barbedienne Q, Marty A, Isella G, Cagnon L, Vergnaud C, Jaffrès H, Reyren N, George JM, Fert A, et Jamet M. 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 procuré explique la...) of large unidirectional Rashba magnetoresistance in Ge(111). Physical Review Letters, 2020
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