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La spintronique sur silicium élargit le champ d'action des semi-conducteurs

L'épopée des CMOS (semi-conducteurs à oxydes métalliques complémentaires) sur silicium approche du point où la miniaturisation sera difficile, et où l'on ne pourra plus faire de progrès en termes de dissipation de la chaleur et de performance des dispositifs. Un projet financé par l'UE a utilisé le silicium (la base de l'électronique et des semi-conducteurs) et d'autres semi-conducteurs pour passer à la spintronique, révolutionnant le concept de la miniaturisation.
La spintronique sur silicium élargit le champ d'action des semi-conducteurs
Les dispositifs électroniques actuels sont basés sur la circulation d'électrons (de charge négative) sous forme d'un courant électrique. Dans les transistors actuels, la présence ou l'absence de ce courant représente la valeur 1 ou 0. Dans un dispositif spintronique, le 1 et le 0 sont représentés par un spin haut ou bas. Les dispositifs spintroniques utilisent la charge électrique mais aussi le spin intrinsèque des électrons, pour augmenter la capacité du stockage et le débit de données.

Le silicium, le graphène, le germanium et les isolants topologiques sont des matériaux prometteurs pour réaliser des dispositifs spintroniques, de par leur capacité à transporter le spin à longue distance et à température normale. Ces matériaux peuvent conserver l'état (l'orientation) du spin d'un électron sur plusieurs micromètres, ce qui est important pour le stockage et le traitement quantique des informations. Le projet SILICONSPIN (Spin transport in silicon nanodevices), financé par l'UE, a apporté de nouvelles informations sur les principes physiques fondamentaux de la génération du spin, de sa manipulation et de son transport dans ces matériaux, à travers des barrières tunnel.

Les chercheurs ont appliqué diverses techniques sophistiquées pour polariser le spin dans le silicium et le germanium, à température normale. L'usage d'électrodes ferromagnétiques pour détecter le spin a causé de larges sauts dans la magnétorésistance tunnel, et augmenté la durée de vie du spin et son accumulation.

Les chercheurs ont utilisé du nitrure de bore hexagonal 2D, isolant, comme barrière tunnel dans la jonction magnétique tunnel, pour injecter dans le silicium un courant à spin polarisé, à partir d'une électrode ferromagnétique. Ils ont ainsi engendré des courants circulant dans la même direction et dans la direction inverse.

Pour injecter une polarisation de spin dans le silicium, les chercheurs ont aussi utilisé le chauffage thermique du silicium et des méthodes dynamiques. Ainsi, ils ont obtenu pour la première fois l'accumulation et le pompage du spin dans du silicium.

SILICONSPIN voulait aussi étudier le transport du spin dans du graphène, à température normale. Les chercheurs ont déposé du graphène sur du dioxyde de silicium, obtenant de grandes distances de diffusion et des durées de vie du spin de l'ordre de quelques nanosecondes. Là aussi, ils ont utilisé le nitrure de bore hexagonal 2D, isolant, comme barrière tunnel dans la jonction magnétique tunnel, et constaté un niveau supérieur de polarisation du spin.

L'usage de courants de spin d'électrons pour traiter les informations est considéré comme le Saint Graal de la spintronique sur semi-conducteur, car il conduit à des dispositifs plus performants, consommant moins d'énergie, et sans accumulation de chaleur. La génération et la modulation de courants de spin dans des semi-conducteurs peuvent conduire à des dispositifs spintroniques dotés de nouvelles fonctionnalités.

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Mots-clés

Silicium, spintronique, semi-conducteur, graphène, transport de spin, SILICONSPIN
Numéro d'enregistrement: 190655 / Dernière mise à jour le: 2016-12-07