électronique de spin - physique.

« magnétiques, conduisant à une augmentation vertigineuse de la densité d’informations stockées sur un disque dur. 2.4 La magnétorésistance tunnel Lorsque les couches magnétiques ne sont plus séparées par une couche conductrice mais par un isolant, c’est-à-dire un matériau qui ne conduit pas le courant électrique, letransport des électrons devient un phénomène purement quantique appelé « effet tunnel ».

Dans une approche classique, l’isolant constitue une barrière infranchissablepour les électrons.

Mais le caractère ondulatoire de l’électron que la mécanique quantique a révélé, lui confère une certaine probabilité, certes faible mais néanmoins nonnulle, de traverser la barrière. La magnétorésistance par effet tunnel est observée en 1975 à très basse température par Michel Jullière, de l’Institut national des sciences appliquées de Rennes.

L’intérêtpour cet effet est relancé en 1995 lorsqu’une équipe du Massachusetts Institute of Technology (MIT) de Cambridge (États-Unis) observe la magnétorésistance tunnel àtempérature ordinaire de manière reproductible. Une jonction tunnel magnétique est composée de deux couches d’un conducteur ferromagnétique (les électrodes) séparées par une très fine couche d’un isolant (labarrière), par exemple l’alumine de formule chimique Al 2O3 (utilisée jusqu’en 2003) ou l’oxyde de magnésium MgO (son successeur, plus performant).

La probabilité de franchissement tunnel de l’isolant et donc la résistance de la jonction tunnel dépendent de l’orientation relative des aimantations des électrodes.

La magnétorésistancetunnel est ainsi la variation relative de la résistance entre les deux configurations : parallèle et antiparallèle. Alliant les propriétés de transport électrique dépendant du spin à la fonction mémoire d’un petit domaine magnétique, les jonctions tunnel magnétiques ont des applicationsà grande échelle dans le domaine du stockage de l’information.

Elles permettent, en particulier, de fabriquer une nouvelle génération de mémoires à accès aléatoire (RAM— Random Access Memory), appelées RAM magnétiques ou MRAM (Magnetic Random Access Memory) en anglais.

Les MRAM sont aussi rapides que les autres mémoiresvives des ordinateurs.

De plus, elles présentent l’avantage d’être non volatiles, c’est-à-dire qu’elles gardent la mémoire de l’information stockée de manière permanente,même lorsque l’alimentation électrique est coupée.

Cette propriété diminue considérablement la consommation énergétique, en particulier pour l’électronique embarquéeque ce soit dans les téléphones portables ou dans les satellites. 3 LES APPLICATIONS DE L’ÉLECTRONIQUE DE SPIN 3.1 Les mémoires magnétiques Pour réaliser des mémoires magnétiques, on dispose côte à côte, de manière très dense, un grand nombre de jonctions tunnels magnétiques formant une matrice lignes-colonnes.

Chaque « cellule mémoire » se situe à l’intersection entre une ligne de contact électrique et une colonne.

Lignes et colonnes de la matrice sont en cuivre ou enaluminium pour transporter facilement le courant électrique.

Dans un composant ainsi confectionné, c’est-à-dire une mémoire à accès aléatoire, la lecture de la cellulesituée à l’intersection de la colonne « n » avec la ligne « m », se fait en mesurant l’intensité du courant électrique, lorsque l’on applique une différence de potentiel entre lam-ième ligne et la n-ième colonne.

Si les aimantations des deux couches sont dans un état antiparallèle, aucun électron ne passera : le dispositif lira un « 0 ».

Si elles sontparallèles, les électrons ayant un spin dans le même sens passeront : le dispositif lira « 1 ».

Pour écrire l’information, l’aimantation de la première couche est retournéedans le sens voulu par le champ magnétique d’un courant passant au-dessus et en dessous de la cellule.

Des mémoires magnétiques, basées sur ce principe général, sontcommercialisées depuis 2006, notamment par la société américaine Freescale. 3.2 Le transfert de spin La découverte de la magnétorésistance géante a permis de concevoir des composants basés sur la manipulation d’un courant électrique par des couches mincesmagnétiques dont l’orientation est contrôlée par un champ magnétique.

En 2003, la possibilité pour un courant électrique polarisé en spin de retourner l’aimantation d’unaimant, c’est-à-dire l’effet inverse, est mise en évidence expérimentalement.

Si cet effet, appelé « transfert de spin », est observé quinze ans après la découverte de lamagnétorésistance géante, il a été prédit théoriquement dès 1995 simultanément par John Slonczewski et Luc Berger.

Lorsqu’un électron traverse une couche magnétique,son spin est soumis à un couple qui tend à aligner le spin de l’électron avec l’aimantation de la couche.

Par réciprocité, l’électron exerce lui aussi un couple sur la couchemagnétique.

Cela peut être comparé à la pomme de Newton qui, soumise à l’attraction terrestre, exerce par réciprocité une force sur la Terre.

Avec la pomme, comme avecl’électron, cette force est ridiculement faible.

Mais si le nombre de pommes est toujours limité, avec un courant électrique le nombre d’électrons qui traversent la couchepeut être colossal : près de 16 000 000 000 000 000 000 électrons par seconde, pour un courant de 1 ampère.

Ainsi avec un courant de plus forte intensité, l’effet cumulédes micro-couples finit par avoir gain de cause : c’est la couche qui tourne et s’aligne avec les spins des électrons.

Autrement dit, le courant polarisé induit l’équivalent d’unchamp magnétique sur l’aimantation de la couche traversée.

C’est l’action de ce champ qui retourne l’aimantation.

Cet effet est mis à profit par les industriels pour écrire lesinformations dans les mémoires MRAM.

Puisque l’on peut orienter l’aimantation des point-mémoires avec un courant électrique, cela permet de s’affranchir d’un champmagnétique.

En effet, l’utilisation d’un champ magnétique pour écrire des mémoires conduit à des erreurs d’écriture, induites par un effet de fuite du champ magnétique surles mémoires voisines. Avec un courant moins intense, le retournement n’est pas atteint.

Toutefois, dans certaines conditions l’aimantation de la couche traversée se met à tourner autour duchamp généré par le courant polarisé.

Il se produit alors un phénomène de précession similaire à la précession des spins des atomes (comme celui de l’hydrogène) enrésonance magnétique nucléaire (RMN) : l’axe de l’aimantation de la couche tourne alors comme une toupie à plusieurs milliards de tours par seconde, soit quelquesgigahertz (GHz) — ce qui correspond aux fréquences utilisées pour les télécommunications modernes et à venir.

Bien maîtrisée, cette rotation devient un générateurd’ondes hyperfréquences de très petite taille, dont on peut facilement contrôler la fréquence de rotation en agissant sur l’intensité du courant.

Cette technologie estparticulièrement adaptée aux téléphones portables et à tous les systèmes qui demandent de passer rapidement d’une fréquence à une autre.

Elle permet, avec un uniqueappareil, d’écouter la radio, d’aller sur Internet, de regarder la télévision et de téléphoner. 3.3 Les semi-conducteurs magnétiques Après les métaux puis les isolants, l’électronique de spin s’est dirigée vers les semi-conducteurs.

Il s’agit de tirer profit simultanément des avantages des métauxmagnétiques pour manipuler le spin, et de ceux des semi-conducteurs — lesquels ont largement fait leurs preuves dans l’électronique classique pour contrôler les courantsélectriques.

Les matériaux magnétiques offrent la capacité de mémoriser l’information de manière permanente et réinscriptible indéfiniment, ainsi que de manipuler desaimantations ou parfois directement les spins.

De leur côté, les semi-conducteurs apportent leur potentiel dans la manipulation des courants électriques, le couplage avecl’optique, etc. C’est effectivement l’un des grands défis de la spintronique que de parvenir à combiner électronique, photonique et magnétisme dans des semi-conducteurs.

L’objectif estde s’affranchir de la diminution importante de l’intensité des signaux dans les composants électro-optiques actuellement nécessaires à l’interface entre des dispositifs denatures différentes, et de diminuer ainsi considérablement le temps de transfert de données. Dès 1990, un premier concept de transistor de spin est proposé par deux chercheurs américains, Supriyo Datta et Biswajit Das.

Dans un transistor, un courant circule dansun canal semi-conducteur entre une « source » qui injecte le courant et un « drain » qui le collecte.

Dans le transistor de spin, les deux électrodes sont magnétiques.

Lecourant polarisé en spin qui passe de la source au drain est modulé par l’application d’une tension électrique sur le canal entre la source et le drain.

Une modification del’orientation magnétique de la source ou du drain change les propriétés du transistor.

Cela permet d’imaginer des composants reprogrammables à volonté par modification. »