Une spintronique de petite dimension viable à température ambiante grâce au graphène
Publié par Redbran le 16/01/2019 à 14:00
Source: © Union européenne, [2019] / CORDIS

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Les chercheurs du programme Graphene Flagship ont mis au point des dispositifs spintroniques à base de graphène utilisant à la fois la charge électronique et le spin à température ambiante. Avoir démontré qu'il était faisable d'utiliser 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...) pour franchir des distances allant jusqu'à plusieurs micromètres ouvre de nouvelles possibilités pour l'intégration du traitement et du stockage de l'information dans une seule puce.

Dès sa création, le programme Graphene Flagship a mis en évidence le potentiel des dispositifs spintroniques fabriqués à partir de GRM. Des chercheurs de différentes universités ont montré avec succès qu'il était possible de manipuler les propriétés de spin du graphène (Cet article ne doit pas être confondu avec l’article graphème.) de manière contrôlée 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...) ambiante. Ces résultats inspirent de nouveaux axes de développement pour les dispositifs de logique (La logique (du grec logikê, dérivé de logos (λόγος), terme inventé par Xénocrate signifiant à la fois raison, langage, et raisonnement) est dans...) de spin et l'informatique quantique (L'informatique quantique est le sous-domaine de l'informatique qui traite des ordinateurs quantiques utilisant des phénomènes de la mécanique quantique, par opposition à ceux de l'électricité exclusivement,...). "La miniaturisation étant l'un des principaux moteurs (Un moteur est un dispositif transformant une énergie non-mécanique (éolienne, chimique, électrique, thermique par exemple) en une énergie mécanique ou...) de l'industrie électronique, le graphène ouvre de nouvelles possibilités de compactage des opérations de logique de spin avec des éléments de mémoire (D'une manière générale, la mémoire est le stockage de l'information. C'est aussi le souvenir d'une information.) magnétique sur une seule et même plateforme", note le professeur Stephan Roche (La roche, du latin populaire rocca, désigne tout matériau constitutif de l'écorce terrestre. Tout matériau entrant dans la composition du...), 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...) catalan de 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...) et d'études avancées (ICREA), qui dirige le Work Package du Graphene Flagship intitulé Spintronics depuis sa création.

Les imperfections matérielles ne sont plus à blâmer

Le graphène étend le domaine de la communication (La communication concerne aussi bien l'homme (communication intra-psychique, interpersonnelle, groupale...) que l'animal (communication intra- ou inter-...) spintronique inter-appareils de l'échelle du nanomètre à celle du micromètre (Un micromètre (symbole μm) vaut 10-6 = 0, 000 001 mètre.) à un faible coût énergétique. Bien que les prévisions théoriques initiales aient estimé la durée de vie (La vie est le nom donné :) des spins dans le 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...) aux alentours de la microseconde, les expériences antérieures n'avaient atteint au mieux qu'une valeur de quelques nanosecondes. À l'origine, cette divergence déroutante laissait entendre que les impuretés et les défauts du matériau étaient les principaux responsables de la relaxation du spin. Les chercheurs du Flagship ont toutefois remis en question ces mécanismes de relaxation de spin de conception conventionnelle et ont proposé un certain nombre (La notion de nombre en linguistique est traitée à l’article « Nombre grammatical ».) de nouveaux mécanismes, uniques au graphène.

Ils ont notamment observé que la vitesse (On distingue :) à laquelle les spins se relaxaient dans des systèmes composés de graphène et de dichalcogénures de métaux de transition (TMDC) dépendait fortement du fait qu'ils soient orientés dans le plan du graphène ou hors de celui-ci. "Le graphène interfacé avec un TMDC pourrait servir de filtre (Un filtre est un système servant à séparer des éléments dans un flux.) de spin, car le transfert des informations de spin dépend de la polarisation ( la polarisation des ondes électromagnétiques ; la polarisation dûe aux moments dipolaires dans les matériaux diélectriques ; En électronique, la polarisation est le fait d'appliquer une tension pour créer du...) de spin initiale des électrons injectés, ce qui permettrait ainsi de nouveaux concepts de transistors à spin de faible puissance (Le mot puissance est employé dans plusieurs domaines avec une signification particulière :)", explique le professeur Roche.

Il est important de noter que les expériences ont été réalisées à température ambiante et qu'elles s'avèrent particulièrement importantes pour une manipulation externe des spins d'électrons dans le graphène.

Le commutateur ultime

Étant donné que le graphène peut maintenir la cohérence de spin sur des distances suffisamment longues, son intégration à un autre matériau stratifié, dans lequel le spin est maintenu pendant une durée beaucoup plus courte, est susceptible de permettre de fabriquer un dispositif de type transistor à spin à effet de champ (Un champ correspond à une notion d'espace défini:). En combinant le graphène avec du disulfure de molybdène (MoS2) (où les spins durent plusieurs picosecondes), des chercheurs du Flagship ont démontré qu'il était possible de contrôler l'endroit où le spin pouvait se déplacer en utilisant 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...). "Cette combinaison (Une combinaison peut être :) du graphène avec un autre matériau 2D mince aux propriétés spintroniques complètement (Le complètement ou complètement automatique, ou encore par anglicisme complétion ou autocomplétion, est une fonctionnalité informatique permettant à l'utilisateur de limiter la...) différentes permet de créer un commutateur de spin", observe le professeur Roche.

Les chercheurs ont choisi le MoS2 en raison de sa faible durée de vie de spin qui résulte de son fort couplage spin-orbite. Il est important de noter que ce 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...) de matériaux (Un matériau est une matière d'origine naturelle ou artificielle que l'homme façonne pour en faire des objets.) a fonctionné à température ambiante.

Améliorer les signaux de spin

Selon les études disponibles dans la littérature scientifique (Un scientifique est une personne qui se consacre à l'étude d'une science ou des sciences et qui se consacre à l'étude d'un domaine avec la rigueur et les méthodes scientifiques.), l'écart de conductance a été identifié comme un facteur clé pouvant réduire considérablement l'injection (Le mot injection peut avoir plusieurs significations :) de spin des aimants ferromagnétiques vers les semi-conducteurs.

L'équipe du Flagship a montré qu'elle pouvait grandement améliorer l'efficacité de l'injection et de la détection des électrons de spin dans le graphène, en utilisant un sandwich de matériaux stratifiés. Celui-ci était composé d'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...) en nitrure de bore (Le bore est un élément chimique de symbole B et de numéro atomique 5.) situé entre la couche de graphène et les électrodes injecteur/détecteur à spin ferromagnétique.

Dans le dispositif mis au point (Graphie), la polarisation a augmenté jusqu'à 70 % avec la tension, ce qui remet en question le fait que seuls les aimants ferromagnétiques puissent avoir une influence sur la polarisation de spin. Au lieu de cela, il a été constaté que 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 fonction d'onde d'une particule, dont le carré du...) affectait la polarisation de spin dans les dispositifs en question. En particulier, le spin a franchi une distance de 10 micromètres en plus de 3 nanosecondes à température ambiante.

"L'utilisation de graphène et d'autres matériaux 2D pour faire avancer les mémoires de nouvelle génération à base de couple de spin (telles que STT-MRAM et SOT-MRAM) s'avère également extrêmement attrayante et a incité imec à prendre la tête du consortium et à travailler sur leur intégration à grande échelle (La grande échelle, aussi appelée échelle aérienne ou auto échelle, est un véhicule utilisé par les...) dans l'environnement (L'environnement est tout ce qui nous entoure. C'est l'ensemble des éléments naturels et artificiels au sein duquel se déroule la vie humaine. Avec les enjeux écologiques actuels, le terme environnement tend actuellement...) de fabrication", déclare Kevin Garello, responsable du Work Package et chercheur (Un chercheur (fem. chercheuse) désigne une personne dont le métier consiste à faire de la recherche. Il est difficile de bien cerner le métier de chercheur tant les domaines de...) chez imec, qui dirige les recherches sur les nouveaux concepts de mémoire magnétique avancée.
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