Phénomènes de transfert de spin

Les expériences de transfert de spin permettent de manipuler l’aimantation d’un corps ferromagnétique sans appliquer de champ magnétique mais seulement en transférant du moment angulaire de spin depuis un courant électrique polarisé de spin. Le transfert de spin peut être utilisé soit pour renverser or réorienter l’aimantation, soit pour générer des oscillations dans le domaine des hyperfréquence, ou encore pour déplacer une paroi de domaine magnétique. Les études réalisées à l'UMP comprennent à la fois des expériences sur des nano-piliers et des expériences de déplacement de parois de domaine par transfert de spin.

• Nano-piliers : Nos études combinent des expériences de magneto-transport et des mesures de spectre hyperfréquence sur des nano-piliers sub-microniques découpés dans des multicouches magnétiques (collaboration avec le LPN-CNRS pour les techniques de lithographie électronique). Une recherche théorique est développée en parallèle. Par exemple, en exploitant des résultats théoriques, nous avons pu concevoir et réaliser des structures de piliers qui, contrairement aux types de piliers étudiés jusqu’à présent, génèrent des oscillations hyperfréquence en l’absence de champ magnétique. L’intérêt de ce résultat peur être une simplification de la technologie des oscillateurs à transfert de spin. Des simulations numériques nous ont également permis de proposer un mécanisme de synchronisation d’une assemblée d’oscillateurs de transfert de spin connectés électriquement, mécanisme confirmé par nos premières expériences, voir Figure 1. La synchronisation d’oscillateurs est un enjeu important pour la réalisation de dispositifs générant une puissance hyperfréquence suffisante.

 

• Paroi de domaines magnétiques : Le déplacement de paroi par un courant électrique est une autre application des phénomènes de transfert de spin. Nous réalisons des expériences de commutation de vannes de spin par déplacement de paroi induit par courant. Nous avons également mis en évidence un phénomène nouveau d’oscillation de paroi généré par transfert de spin.

Figure 1: Spectre de puissance hyperfréquence généré par deux oscillateurs à transfert de spin (nano-piliers) connectés électriquement en série pour diverses valeurs du courant DC d’excitation. Selon la gamme de courant considéré, on observe soit deux pocs correspondant aux oscillations indépendantes des deux nano-piliers, soit un seul pic de puissance nettement plus élevée (et plus étroit) que l’on peut associer à la synchronisation des deux nano-piliers.

Nano-spintronique et Nanomagnétisme

• Nano-spintronique: Nos recherches sont centrées sur des expériences de transport à un électron dans des structures construites autour d’un nano-agrégat unique (technique de nano-indentation). Dans le cas d’un agrégat non-magnétique connecté à des électrodes magnétiques (Co) par deux nano-jonctions tunnel, l’interférence entre blocage de Coulomb et accumulation de spin génère des effets magnéto-Coulomb semblables à ceux représentés sur la Figure 2. Ces effets magnéto-Coulomb donnent directement accès au temps de cohérence du spin dans la nano-particule étudiée. On obtient, par exemple, 2 ns pour une nano-particule de cuivre de 6 nm. Ce type d’expérience, qui n’avait jamais été réalisée avec une particule unique, apparaît comme un outil unique pour l’étude du temps de cohérence de spin dans un nano-objet ou une boite quantique. Les études sur des nanoparticules métalliques se poursuivent sur de nano-cristaux de silicium et des molécules.

 

 



 

Figure 2: a) Nano-structure fabriquée pour contacter un agrégat de quelques nanomètres à deux électrodes de cobalt par des jonctions tunnel ; b) Résistivité différentielle en fonction de la tension pour un agrégat de cuivre de 6 nm entre électrodes de cobalt. Les pics indiquent les marches de Coulomb et le décalage entre ces pics pour les configurations magnétiques parallèle et antiparallèle des électrodes est directement reliée au temps de vie du spin dans l’agregat (2 ns dans le cas de la figure).

 

Une étude plus récente, en collaboration avec l’Université de Cambridge (Mathur et al), concerne le transport de spin dans une structure composée d’un nano-tube de carbone entre source et drain ferromagnétiques de La2/3Sr1/3MnO3. Ce type de structure présente une magnétorésistance beaucoup plus élevée (70%) que les structures semblables avec canal semi-conducteur entre électrodes ferromagnétiques, ce qui illustre les avantages des nanotubes en terme de longueur de temps de vie du spin et de réduction du temps de séjour des électrons par la vitesse de Fermi élevée.
• Magnétisme d'agrégats nanométriques: Nous étudions également les propriétés magnétiques de réseaux ordonnés d’agrégats de cobalt, parfois enrobés d’une couche métallique, et enterrés dans une matrice d’alumine. Le contrôle de la structure de ces réseaux a permis d’obtenir un grand nombre de résultats précis sur ce qui détermine leurs propriétés magnétiques. En particulier ce type d’expérience a montré clairement l’amplification de l’anisotropie magnétique liée à l’augmentation du moment orbital en surface, le contrôle possible de cette amplification par l’insertion de couche métallique entre agrégat et alumine, et finalement, après prise en compte des effets d’anisotropie, l’influence des interactions dipolaires sur les températures de blocage du superparamagnétisme.

Spintronique avec des semi-conducteurs

• Semi-conducteur entre source et drain ferromagnétiques : les expériences sur un puits quantique de GaAs entre électrodes de GaMnAs et les développements théoriques associés ont permis de mieux cerner les conditions sur les résistances d’interface requises pour injecter des spins dans un semi-conducteur et également y conserver l’accumulation de spin pour un contraste maximal entre états passant et non-passant.
• Effet tunnel résonnant : les jonctions tunnel MnAs/GaAs/MnAs révèlent clairement un caractère ‘anormal’ de la magnétorésistance avec, en particulier des inversions de signe avec la tension. Ce comportement s’explique, modélisation à l’appui, par la résonance sur des niveaux de défauts (antisites) dans GaAs. Nous exploitons maintenant le filtrage de symétrie par la résonance sur des niveaux bien caractérisés d’un puit quantique de GaAs pour clarifier l’origine de l’effet TAMR (Tunneling Anisotropic Magnetoresistance) qui est observé dans des jonctions tunnel avec des électrodes de GaMnAs et est lié à l’anisotropie de sa bande de valence.
• Transfert de spin : le renversement d’aimantation par transfert de spin est observé dans nos jonctions tunnel à électrodes de GaMnAs pour des densités de courant environ cent fois plus faibles que dans des structures à électrodes métalliques. Cette diminution de courant de commutation est essentiellement liée à la faible aimantation de GaMnAs. Le signe des courant critiques démontre également le couplage antiferromagnétique entre Mn et bande de valence.

Concept de dispositifs

• Capteurs magnétiques : L’exploitation la plus directe des effets de magnétorésistance consiste à les utiliser pour la réalisation de capteurs. Dans Thales, les capteurs magnétorésistifs pourraient présenter certains avantages par rapport aux technologies classiques telles que les flux-gates, en particulier vis à vis de la miniaturisation de certains systèmes. Nous avons développé depuis quelques années un démonstrateur basé sur l’effet Hall plan ayant une précision meilleure que 10 nT (voir figure 4). Les travaux actuels sur cette technologie concernent son utilisation dans des magnétomètres pour des applications spatiales (collaboration avec le laboratoire CETP du CNRS) ou dans le domaine du contrôle non destructif par analyse de courants de Foucault (collaboration avec le CEA-LIST). Nous explorons aussi une autre technologie de capteurs basée sur l’effet tunnel dépendant du spin et ayant la capacité potentielle d’atteindre des précisions dans la gamme du pT. Nous nous intéressons à la manière d’obtenir un signal magnétorésistif linéaire et réversible, mais aussi à la réduction des offsets de résistance.
• Circulateurs à base de nanofils magnétiques : Nous nous sommes intéressés aux nanofils magnétiques depuis plusieurs années, en particulier dans le cadre de l’exploration de la GMR en configuration CPP. Ces travaux sont réalisés en collaboration avec l’Université Catholique de Louvain La Neuve en Belgique. Les particularités de ce type de matériaux (rapport d’aspect, matrice diélectrique) permettent d’envisager de les utiliser comme éléments actifs d’un circulateur. Les circulateurs sont utilisés dans les circuits hyperfréquences afin de permettre l’émission et la réception simultanée sur une même antenne. Il s’agit donc d’un composant clé dans des systèmes tels que les radars. Par rapport aux technologies existantes basées sur les ferrites, l’utilisation de nanofils doit permettre de simplifier et de rendre intégrable ces composants, en supprimant le recours à des aimants de polarisation.
• Capacités variables utilisant le blocage de Coulomb : On utilise une capacité variable dans la plupart des circuits oscillants, la variabilité de celle-ci permettant d’assurer une certaine agilité en fréquence. Sur la base de nos travaux autour de la maîtrise des assemblée d’agrégats d’une part et du blocage de Coulomb d’autre part, nous avons identifié un concept innovant de capacité variable. En utilisant une assemblée 2D d’agrégats insérée entre une barrière tunnel et une couche isolante épaisse, le phénomène de blocage de Coulomb se développe sur une plage de tension qui est élargie par la dispersion en taille des agrégats. Ainsi, un tel objet se comporte comme une capacité variable dont les caractéristiques sont directement liées à celles de l’assemblée d’agrégat. Un avantage potentiel important par rapport aux technologies actuelles telles que les varicaps est de pouvoir contrôler de manière quasi-indépendante l’accordabilité en fréquence qui est essentiellement liée aux caractéristiques de la distribution d’agrégats et le facteur de surtension qui dépend principalement de l’épaisseur du diélectrique. Après avoir obtenu une preuve expérimentale de ce concept et étudié l’influence de plusieurs paramètres matériaux, nos efforts actuels portent sur la modélisation de ce nouveau composant ainsi que de son insertion dans un circuit oscillant.