Spintronique

La spintronique (un mot-valise signifiant électronique de transport de spin ), également connue sous le nom d'électronique de spin , est l'étude du spin intrinsèque de l' électron et de son moment magnétique associé , en plus de sa charge électronique fondamentale , dans les dispositifs à l'état solide . Le domaine de la spintronique concerne le couplage spin-charge dans les systèmes métalliques ; les effets analogues dans les isolants relèvent du domaine des multiferroïques .

La spintronique diffère fondamentalement de l'électronique traditionnelle dans la mesure où, en plus de l'état de charge, les spins des électrons sont utilisés comme un degré de liberté supplémentaire, ce qui a des répercussions sur l'efficacité du stockage et du transfert des données. Les systèmes spintroniques sont le plus souvent réalisés dans des semi-conducteurs magnétiques dilués (DMS) et des alliages Heusler et présentent un intérêt particulier dans le domaine de l'informatique quantique et de l'informatique neuromorphique .

La spintronique est née des découvertes des années 1980 concernant les phénomènes de transport d'électrons dépendant du spin dans les dispositifs à l'état solide. Cela comprend l'observation de l'injection d'électrons polarisés en spin d'un métal ferromagnétique à un métal normal par Johnson et Silsbee (1985) et la découverte de la magnétorésistance géante indépendamment par Albert Fert et al. et Peter Grünberg et al. (1988). L'origine de la spintronique peut être retracée jusqu'aux expériences de tunnellisation ferromagnétique/supraconducteur initiées par Meservey et Tedrow et aux premières expériences sur les jonctions tunnel magnétiques par Jullière dans les années 1970. L'utilisation de semi-conducteurs pour la spintronique a commencé avec la proposition théorique d'un transistor à effet de champ de spin par Datta et Das en 1990 et de la résonance de spin dipolaire électrique par Rashba en 1960.

Le spin de l'électron est un moment angulaire intrinsèque qui est distinct du moment angulaire dû à son mouvement orbital. La grandeur de la projection du spin de l'électron le long d'un axe arbitraire est , ce qui implique que l'électron agit comme un fermion par le théorème de la statistique de spin . Comme le moment angulaire orbital, le spin a un moment magnétique associé , dont la grandeur est exprimée comme

Dans un solide, les spins de nombreux électrons peuvent agir ensemble pour affecter les propriétés magnétiques et électroniques d'un matériau, par exemple en le dotant d'un moment magnétique permanent comme dans un ferromagnétique .

Dans de nombreux matériaux, les spins électroniques sont présents de manière égale dans les états haut et bas, et aucune propriété de transport ne dépend du spin. Un dispositif spintronique nécessite la génération ou la manipulation d'une population d'électrons polarisés en spin, ce qui entraîne un excès d'électrons de spin haut ou de spin bas. La polarisation de toute propriété dépendante du spin X peut être écrite comme suit :

Une polarisation nette de spin peut être obtenue soit en créant une séparation d'énergie d'équilibre entre le spin ascendant et le spin descendant. Les méthodes incluent la mise d'un matériau dans un champ magnétique important ( effet Zeeman ), l'échange d'énergie présent dans un ferromagnétique ou le fait de forcer le système hors d'équilibre. La période de temps pendant laquelle une telle population hors d'équilibre peut être maintenue est connue sous le nom de durée de vie du spin .

Dans un conducteur diffusif, la longueur de diffusion de spin peut être définie comme la distance sur laquelle une population de spin hors équilibre peut se propager. La durée de vie des spins des électrons de conduction dans les métaux est relativement courte (généralement inférieure à 1 nanoseconde). Un important domaine de recherche est consacré à l'extension de cette durée de vie à des échelles de temps technologiquement pertinentes.

Les mécanismes de désintégration d'une population polarisée en spin peuvent être classés en deux grandes catégories : diffusion par retournement de spin et déphasage de spin. La diffusion par retournement de spin est un processus à l'intérieur d'un solide qui ne conserve pas le spin et peut donc faire passer un état entrant de spin élevé à un état sortant de spin faible. Le déphasage de spin est le processus par lequel une population d'électrons ayant un état de spin commun devient moins polarisée au fil du temps en raison de différents taux de précession de spin des électrons . Dans les structures confinées, le déphasage de spin peut être supprimé, ce qui conduit à des durées de vie de spin de l'ordre de quelques millisecondes dans les points quantiques semi-conducteurs à basse température.

Les supraconducteurs peuvent améliorer les effets centraux en spintronique tels que les effets de magnétorésistance, les durées de vie de spin et les courants de spin sans dissipation.

La méthode la plus simple pour générer un courant polarisé en spin dans un métal consiste à faire passer le courant à travers un matériau ferromagnétique . Les applications les plus courantes de cet effet concernent les dispositifs à magnétorésistance géante (GMR). Un dispositif GMR typique est constitué d'au moins deux couches de matériaux ferromagnétiques séparées par une couche d'espacement. Lorsque les deux vecteurs de magnétisation des couches ferromagnétiques sont alignés, la résistance électrique sera plus faible (donc un courant plus élevé circule à tension constante) que si les couches ferromagnétiques sont anti-alignées. Cela constitue un capteur de champ magnétique.

Deux variantes du GMR ont été appliquées dans les dispositifs : (1) le courant dans le plan (CIP), où le courant électrique circule parallèlement aux couches et (2) le courant perpendiculaire au plan (CPP), où le courant électrique circule dans une direction perpendiculaire aux couches.

Autres dispositifs spintroniques à base de métal :

• Magnétorésistance tunnel (TMR), où le transport CPP est obtenu en utilisant le tunneling quantique des électrons à travers un mince isolant séparant les couches ferromagnétiques.
• Couple de transfert de spin , où un courant d'électrons polarisés en spin est utilisé pour contrôler la direction de magnétisation des électrodes ferromagnétiques dans le dispositif.
• Les dispositifs logiques à ondes de spin transportent des informations en phase. L'interférence et la diffusion des ondes de spin peuvent effectuer des opérations logiques.

Les dispositifs logiques de spin non volatils permettant la mise à l'échelle font l'objet d'études approfondies. Des dispositifs logiques à transfert de spin et à couple utilisant des spins et des aimants pour le traitement de l'information ont été proposés. Ces dispositifs font partie de la feuille de route exploratoire de l'ITRS . Les applications de mémoire logique sont déjà en phase de développement. Un article de synthèse de 2017 peut être trouvé dans Materials Today .

Une théorie généralisée des circuits pour les circuits intégrés spintroniques a été proposée afin que la physique du transport de spin puisse être utilisée par les développeurs de SPICE et par la suite par les concepteurs de circuits et de systèmes pour l'exploration de la spintronique pour « l'informatique au-delà du CMOS ».

Les têtes de lecture des disques durs magnétiques sont basées sur l'effet GMR ou TMR.

Motorola a développé une mémoire vive magnétorésistive (MRAM) de première génération de 256 kb basée sur une seule jonction tunnel magnétique et un seul transistor dont le cycle de lecture/écriture est inférieur à 50 nanosecondes. Everspin a depuis développé une version de 4 Mo. Deux techniques MRAM de deuxième génération sont en cours de développement : la commutation assistée thermiquement (TAS) et le couple de transfert de spin (STT).

Une autre conception, la mémoire de piste de course , une nouvelle architecture de mémoire proposée par le Dr Stuart SP Parkin , code les informations dans la direction de la magnétisation entre les parois de domaine d'un fil ferromagnétique.

En 2012, des hélices de spin persistantes d'électrons synchronisés ont été réalisées pour persister pendant plus d'une nanoseconde, soit une augmentation de 30 fois par rapport aux efforts précédents et plus longtemps que la durée d'un cycle d'horloge de processeur moderne.

Les matériaux semi-conducteurs dopés présentent un ferromagnétisme dilué. Ces dernières années, les oxydes magnétiques dilués (DMO), notamment les DMO à base de ZnO et les DMO à base _de TiO2, ont fait l'objet de nombreuses recherches expérimentales et informatiques. Les sources de semi-conducteurs ferromagnétiques sans oxyde (comme l'arséniure de gallium dopé au manganèse (Ga,Mn)As ), augmentent la résistance d'interface avec une barrière tunnel, ou en utilisant l'injection d'électrons chauds.

La détection de spin dans les semi-conducteurs a été abordée avec de multiples techniques :

• Rotation Faraday/Kerr des photons transmis/réfléchis
• Analyse de polarisation circulaire de l'électroluminescence
• Valve de spin non locale (adaptée des travaux de Johnson et Silsbee sur les métaux)
• Filtrage de spin balistique

Cette dernière technique a été utilisée pour surmonter le manque d'interaction spin-orbite et les problèmes de matériaux afin d'obtenir un transport de spin dans le silicium .

Étant donné que les champs magnétiques externes (et les champs parasites provenant des contacts magnétiques) peuvent provoquer des effets Hall et une magnétorésistance importants dans les semi-conducteurs (qui imitent les effets de valve de spin ), la seule preuve concluante du transport de spin dans les semi-conducteurs est la démonstration de la précession de spin et du déphasage dans un champ magnétique non colinéaire à l'orientation de spin injectée, appelé effet Hanle .

Les applications utilisant l'injection électrique polarisée par spin ont montré une réduction du courant de seuil et une sortie de lumière cohérente polarisée circulairement contrôlable. transistor à spin présentant des avantages par rapport aux dispositifs MOSFET tels qu'une pente sous-seuil plus raide.

Transistor à effet tunnel magnétique : Le transistor à effet tunnel magnétique à couche de base unique possède les bornes suivantes :

• Émetteur (FM1) : injecte des électrons chauds polarisés en spin dans la base.
• Base (FM2) : La diffusion dépendante du spin a lieu dans la base. Elle sert également de filtre de spin.
• Collecteur (GaAs) : Une barrière Schottky est formée à l'interface. Elle ne collecte que les électrons qui ont suffisamment d'énergie pour franchir la barrière Schottky, et lorsque des états sont disponibles dans le semi-conducteur.

Le magnétocourant (MC) est donné par :

Et le taux de transfert (TR) est

Le MTT promet une source d’électrons hautement polarisée en spin à température ambiante.

Les supports de stockage antiferromagnétiques ont été étudiés comme une alternative au ferromagnétisme , d'autant plus qu'avec un matériau antiferromagnétique, les bits peuvent être stockés aussi bien qu'avec un matériau ferromagnétique. Au lieu de la définition habituelle 0 ↔ « aimantation vers le haut », 1 ↔ « aimantation vers le bas », les états peuvent être, par exemple, 0 ↔ « configuration de spin alternant verticalement » et 1 ↔ « configuration de spin alternant horizontalement ». ).

Les principaux avantages du matériau antiferromagnétique sont :

• insensibilité aux perturbations endommageant les données par des champs parasites dues à une magnétisation externe nette nulle ;
• aucun effet sur les particules proches, ce qui implique que les éléments du dispositif antiferromagnétique ne perturberaient pas magnétiquement les éléments voisins ;
• temps de commutation beaucoup plus courts (la fréquence de résonance antiferromagnétique est dans la gamme THz par rapport à la fréquence de résonance ferromagnétique GHz) ;
• large gamme de matériaux antiferromagnétiques couramment disponibles, notamment des isolants, des semi-conducteurs, des semi-métaux, des métaux et des supraconducteurs.

Des recherches sont en cours pour savoir comment lire et écrire des informations dans des spintroniques antiferromagnétiques, car leur aimantation nette nulle rend cette opération difficile par rapport à la spintronique ferromagnétique conventionnelle. Dans les MRAM modernes, la détection et la manipulation de l'ordre ferromagnétique par des champs magnétiques ont été largement abandonnées au profit d'une lecture et d'une écriture plus efficaces et évolutives par courant électrique. Des méthodes de lecture et d'écriture d'informations par courant plutôt que par champs sont également étudiées dans les antiferromagnétiques, car les champs sont de toute façon inefficaces. Les méthodes d'écriture actuellement étudiées dans les antiferromagnétiques sont le couple de transfert de spin et le couple spin-orbite provenant de l' effet Hall de spin et de l' effet Rashba . La lecture d'informations dans les antiferromagnétiques via des effets de magnétorésistance tels que la magnétorésistance tunnel est également à l'étude.