De nouveaux mécanismes de transport de spin dans les métaux
La manipulation du spin électronique est au cœur de la spintronique et permet de développer des circuits électroniques à la fois plus petits et plus efficaces que ceux disponibles actuellement. «Conserver la polarisation en spin sur toute la longueur du dispositif électronique est la clé du succès de son développement», déclare le professeur Angel Rubio, qui a dirigé le projet SOCISS, financé par l’UE. Protéger la dépolarisation en spin causée par divers mécanismes de relaxation est d’une importance capitale pour les dispositifs innovants de prochaine génération. Courant de spin pur – sans charge supplémentaire En spintronique, l’interaction avec le mouvement orbital est l’un des principaux mécanismes par lesquels le spin électronique perd sa capacité d’alignement dans une direction donnée. «La brisure de la symétrie d’inversion à l’interface entre les hétérostructures génère un fort couplage spin-orbite. Cette forte interaction favorise la génération de courants de spin purs, constitués d’électrons à spins opposés se déplaçant dans des directions opposées. Les directions de spin “haut” et “bas” peuvent être utilisées pour stocker et traiter des informations dans des dispositifs spintroniques», souligne le professeur Rubio. Mais, comme il l’explique plus en détail, «les électrons ne peuvent pas conserver leur direction sur une longue distance dans les régions où il y a un fort couplage spin-orbite». Pour contourner ce problème, les chercheurs doivent agencer l’interface en zones présentant des interactions spin-orbite énormes et d’autres où elles sont faibles. Obtenir une image détaillée de ce qui se passe à l’interface entre les hétérostructures est donc essentiel pour atteindre cet objectif. Les électrons échangent des spins L’étude détaillée du couplage spin-orbite interfacial entre les hétérostructures a conduit à la découverte de phénomènes particuliers qui n’avaient jamais été signalés auparavant. «Nous avons été surpris de découvrir que le couplage spin-orbite dans les jonctions métal-métal donnait lieu à ce qu’on appelle une conversion spin-à-spin», note le professeur Rubio. «Cet effet, également connu sous le nom d’échange de spin, décrit comment les électrons échangent la polarisation de leur spin dans la direction du champ électrique en présence d’un couplage spin-orbite interfacial», poursuit-il. Contrôler le magnétisme à la demande Une autre réalisation remarquable du projet, particulièrement intéressante pour de futures applications électroniques, est la possibilité de contrôler la polarisation de spin par le biais d’un courant électrique. «Des éléments de mémoire magnétique comme ceux qu’on trouve dans les disques durs sont capables de stocker magnétiquement des données numériques, mais écrire des données de cette façon en faisant preuve de rapidité et de précision est incroyablement difficile. L’application d’un courant électrique pour activer et désactiver le magnétisme rend le processus d’écriture plus rapide et beaucoup plus économe en énergie; une simple décharge électrique s’avérant suffisante», explique le professeur Rubio. L’équipe SOCISS a adopté une approche balistique pour calculer les mécanismes de conversion spin-à-spin et spin-à-charge se produisant à l’interface entre les jonctions métalliques. Ces calculs négligent les éventuels défauts du substrat des hétérostructures. Des progrès significatifs ont également été accomplis grâce à l’extension des conditions limites de Zaïtsev, qui décrivent les effets de proximité dans les hétérostructures dans les cas où un couplage interfacial spin-orbite est présent. Les résultats devraient permettre aux chercheurs d’expliquer l’ensemble des différents mécanismes de conversion de spin déclenchés par le couplage interfacial spin-orbite et de mettre davantage en évidence leur dépendance vis-à-vis de l’épaisseur de la jonction. De l’échelle de l’atome à l’échelle mésoscopique Un des objectifs les plus importants de SOCISS consistait à fournir une description à plusieurs échelles des phénomènes de transport de spin provoqués par les interactions spin-orbite. Le nouveau modèle décrit parfaitement tous les phénomènes de transport de spin aux échelles mésoscopiques. «Par ailleurs, l’utilisation de techniques basées sur les principes fondamentaux nous a permis de déterminer l’influence des propriétés des matériaux sur les mécanismes de rotation», explique le professeur Rubio. Combiner ces différentes méthodes fournit une description détaillée du couplage spin-orbite interfacial à toutes les échelles sans utiliser de paramètres libres. Les résultats du projet constituent une base nouvelle avec un potentiel énorme en matière d’exploitation des interactions spin-orbite pour manipuler les électrons dans le cadre d’applications en spintronique. Alors que les chercheurs poursuivent leurs recherches sur le sujet, des exposés ont déjà permis de diffuser leurs résultats dans des conférences, des séminaires et des ateliers. Les chercheurs ont également participé au programme LanAldi afin de promouvoir leurs travaux et de rendre la science plus accessible pour les élèves du secondaire.
Mots‑clés
SOCISS, couplage spin-orbite, métal, interfacial, spintronique, transport de spin, courant de spin, conversion spin-à-spin, conversion spin-à-charge
