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De nouvelles applications pour les nano-oscillateurs à transfert de spin

L'aimantation par oscillation d'ondes présente un énorme potentiel pour le traitement et le stockage de l'information. Des chercheurs financés par l'Union européenne ont étudié et exploité ses propriétés sur des modèles de type biologique, des systèmes expérimentaux et d'autres dispositifs.
De nouvelles applications pour les nano-oscillateurs à transfert de spin
Les oscillateurs à transfert de spin sont de nouveaux dispositifs à l'échelle nanométrique qui s'appuient sur la technologie spintronique et l'aimantation par oscillation périodique. Leur petite échelle et leur forte modulabilité les rendent très attractifs pour de nombreuses applications dont certaines non conventionnelles. Leur fonctionnement reste pourtant mal compris, une lacune qu'il est nécessaire de combler avant d'en envisager une exploitation commerciale.

Des chercheurs financés par l'UE ont ainsi initié le projet SPINTORQOSC («Spin torque oscillators with applications in non digital computing science and communications») afin d'acquérir ces connaissances et faciliter la mise en place de calculs inspirés par la biologie dans les structures nanométriques. Les chercheurs ont axé leurs travaux sur l'excitation des ondes de spin sur couches minces ferromagnétiques, un phénomène supportant une nouvelle manière de traiter l'information.

En utilisant les ondes de spin, l'équipe du projet a entrepris de mettre en œuvre des calculs de front d'ondes analogues à ceux effectuées par le cerveau quand il utilise l'activité électrique périodique oscillatoire. Les ondes de spin ou magnons sont des excitations élémentaires collectives de spins où le spin est le moment angulaire inhérent à toutes les particules élémentaires. Dans les oscillateurs à transfert de spin (STO, pour spin torque oscillator), de très grandes oscillations d'amplitude de l'aimantation sont conservées.

Les travaux théoriques ont permis d'atteindre le premier objectif et la publication d'un modèle inspiré par la biologie, de calculs de fronts d'ondes au sein des nanostructures. Les chercheurs ont ainsi proposé un concept de couches minces ferromagnétiques, dans lesquelles les ondes de spin se propagent, et de nanocontacts (les oscillateurs à transfert de spin) qui contactent les couches minces et excitent la dynamique d'aimantation. Ainsi les oscillateurs à transfert de spin génèrent le profil d'ondes tout en captant les ondes de spin entrantes.

Ces travaux expérimentaux ont débouché sur la fabrication de dispositifs STO sur couches minces ferromagnétiques et démontré en leur sein, une activité des ondes de spin mesurée électriquement. L'équipe a également étudié plusieurs méthodes d'imagerie et de contrôle des ondes de spin dont certaines utilisant deux synchrotrons différents et des semi-conducteurs organiques.

Ce couplage entre films minces magnétiques et semi-conducteurs organiques a par ailleurs permis de découvrir un nouvel effet, la transduction du signal magnétique en signal optique via un phénomène d'électroluminescence dans le semi-conducteur organique. D'autres travaux se sont intéressés aux aimants sous forme de molécules isolées et la fabrication de dispositifs STO.

Ces travaux ont été publiés dans des revues scientifiques de renom. Grâce à leurs travaux tant théoriques qu'expérimentaux, les chercheurs du projet nous ont permis d'approfondir nos connaissances sur les oscillateurs à transfert de spin, leur fonctionnement et leur contrôle. L'exploitation des nouveaux dispositifs est sur le point de débuter.

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Mots-clés

Magnétisation, oscillateurs à transfert de spin, science informatique, onde de spin, couche mince ferromagnétique