Une nouvelle recherche pour comprendre le ferromagnétisme des semi-conducteurs magnétiques
Le fait d'exploiter le spin des électrons ainsi que leur charge permet de réaliser de nouveaux dispositifs de stockage, dotés de fonctionnalités totalement nouvelles et dépassant les limitations de l'électronique classique. L'usage de semi-conducteurs magnétiques dilués est une approche très étudiée pour obtenir des porteurs à spin polarisé afin de stocker les données. Ces matériaux sont fabriqués en dopant des semi-conducteurs comme le nitrure de gallium (GaN) ou l'oxyde de zinc, avec des ions de métaux de transition (tels que le manganèse, le fer ou le cobalt). L'interaction entre les spins conduit à un ordre ferromagnétique à basses températures, ce qui est requis pour créer des porteurs à spin polarisé. Malgré les progrès dans la physique des semi-conducteurs magnétiques dilués, leur compréhension et leur contrôle restent l'un des domaines les plus difficiles et controversés de la science des matériaux et de la physique de la matière condensée. Pour s'attaquer à ce problème, des scientifiques ont lancé le projet FUNDMS (Functionalisation of diluted magnetic semiconductors). Les chercheurs ont utilisé des synchrotrons perfectionnés pour mieux étudier comment les ions magnétiques sont disposés dans le réseau cristallin du semi-conducteur. Ils ont conduit des études théoriques et expérimentales pour mieux comprendre comment contrôler l'hétérogénéité à l'échelle nanométrique de la répartition des ions des métaux de transition. En effet, les informations sur la répartition des ions aident à comprendre les propriétés macroscopiques des semi-conducteurs magnétiques dilués. Les chercheurs ont étudié expérimentalement et décrit de nombreux aspects des mécanismes responsables du ferromagnétisme de semi-conducteurs magnétiques dilués dotés d'une répartition uniforme des ions de manganèse. Dans des couches de (Ga,Mn)N, ils ont constaté un ferromagnétisme malgré l'absence de porteurs, et découvert que la cause en est un super-échange ferromagnétique. Ils ont aussi montré que le fort couplage entre des spins localisés est facilité par des trous dans la bande de valence. Les scientifiques de FUNDMS se sont aussi attaqués à une autre difficulté, l'influence de l'emplacement des trous sur le ferromagnétisme. Les scientifiques ont montré que des fluctuations critiques dans la densité des structures métal-isolant-semi-conducteur conduisaient à la coexistence des régions ferromagnétiques et superparamagnétiques. Le projet FUNDMS a déposé une demande de brevet pour contrôler l'agrégation d'ions de métaux de transition, et un autre pour une photoluminescence large bande résultant d'impuretés dans le GaN et qui peut servir à fabriquer des lasers dans l'infrarouge. Les résultats du projet ont été diffusés via 74 publications et près d'une centaine de conférences invitées.
Mots‑clés
Ferromagnétisme, science des matériaux, semi-conducteurs magnétiques dilués, spin polarisé, FUNDMS
