Discussion :

[dourouc05]

L'électronique du spin se rapproche des fonctions logiques,
un système du MIT arrive à inverser le spin d'ions hydrogène de manière résistante

Les processeurs actuels, ainsi que la mémoire, les disques électroniques (SSD) et bon nombre de capteurs sont fabriqués sur des composants semi-conducteurs à l'aide de techniques CMOS (complementary metal oxide semi-conductor). Tous les circuits électroniques actuels sont construits à l'aide notamment de transistors, des composants qui laissent passer ou non un courant selon un signal externe ; en assemblant plusieurs de ces transistors, on peut réaliser des circuits comme un amplificateur opérationnel (utilisé par exemple pour l'amplification de signaux audio ou pour certaines mesures électriques) ou des portes logiques (ET, OU, etc.), ces dernières étant à la base des microprocesseurs que nous connaissons. CMOS est une technique de réalisation de composants électroniques qui allie toujours deux transistors opposés (N et P) réalisant la même fonction, mais opposée : quand l'un laisse passer le courant, l'autre le bloque et vice-versa. Tous les circuits logiques conçus depuis les années 1950 le sont selon cette méthodologie.

L'électronique de spin fonctionne selon des principes opposés. Au lieu de bloquer ou de laisser passer du courant comme un transistor, c'est-à-dire d'avoir un flux (ou non) d'électrons, l'électronique de spin se base sur d'autres principes de mécanique quantique. En effet, les électrons sont associés à un spin, qui caractérise son "moment angulaire intrinsèque" — un peu comme l'orientation d'un aimant dans un champ magnétique. Par exemple, si tous les spins des électrons d'un matériau donné pointent dans la même direction, le matériau est fortement magnétisé dans cette direction. En électronique, l'idée serait de représenter un bit par ce spin ; en appliquant une différence de potentiel électrique (donc un champ électrique) autour d'un électron, on peut théoriquement en changer le spin, mais l'effet en pratique est très faible.

Des chercheurs au MIT ont développé de nouvelles techniques pour faire mieux fonctionner ce système. Ils prennent deux plaques, l'une magnétique et métallique, l'autre isolante, entre lesquelles ils piègent des particules : au lieu d'utiliser des électrons, comme auparavant, ils ont décidé d'employer des ions hydrogène. En appliquant une différence de potentiel électrique entre les deux plaques (épaisses de quelques atomes), les chercheurs ont pu changer la direction du spin de cent pour cent. En d'autres termes, ils ont pu inverser un bit, une chose qui n'était pas vraiment possible jusqu'à présent.

D'autres équipes ont tenté des techniques similaires, mais avec des résultats moins satisfaisants. Par exemple, les ions oxygène sont bien plus lourds et réagissent tout aussi bien, mais ne résistent que quelques centaines de cycles — après, les propriétés magnétiques sont trop altérées. Au contraire, le système à base d'ions hydrogène a pu résister plus de deux mille cycles. Avant une utilisation industrielle plus poussée, cependant, par exemple dans les mémoires magnétiques, ce système devra encore être amélioré au niveau de la vitesse de commutation, trop faible, notamment à cause de la lenteur de la réaction des protons du côté de la plaque magnétique.

Source : With Help From Hydrogen, Spintronics Takes One Step Closer to Digital Logic.

Voir aussi : Magneto-ionic control of magnetism using a solid-state proton pump.

[Steinvikel]

Je me permet d'apporter une autre étude qui n'est pas directement lié, mais qui porte sur la conduction des spin via des matériaux isolant.
Cette étude a été (début 2018) réalisée par l'Inac (et impliquant l'Iramis), en collaboration avec l'Unité mixte de physique CNRS-Thales (Palaiseau) de l'Université de Paris Saclay et l'Université de Bretagne occidentale (Brest) :
en VO Nonlinear spin conductance of yttrium iron garnet thin films driven by large spin-orbit torque, Phys. Rev. B
en VO Electrical properties of epitaxial yttrium iron garnet ultrathin films at high temperatures, Phys. Rev. B

en voici l'essentiel :
Les isolants électriques peuvent se révéler d'excellents conducteurs de spin. Ils possèdent des propriétés de transport non linéaires, contrôlables grâce à un champ magnétique externe.
Ou dans un langage plus proche de la publication... elle ouvre la voie à l'exploitation de conducteurs de spin dans un régime de magnons à faible facteur d'amortissement magnétique et sensibles au champ magnétique appliqué.

Des progrès technologiques récents permettent de mieux exploiter l'effet Hall de spin et le transfert de spin entre couches minces juxtaposées. Il devient ainsi possible de convertir dans certains métaux un courant de charge en un pur courant de spin. Celui-ci peut alors être transmis à une couche mince adjacente, même si celle-ci est isolante électrique. En effet, il suffit qu'elle soit magnétique pour que le courant de spin ainsi injecté par l'interface puisse être transporté dans l'isolant sous forme d'onde de spin (magnon).

Cette avancée élargit aux isolants électriques la gamme des matériaux utilisables en spintronique. Il permet en particulier d'ouvrir la spintronique aux oxydes magnétiques, qui sont de meilleurs conducteurs de spin que les métaux. Le plus fameux d'entre eux est le grenat de fer et d'yttrium (YIG, Yttrium Iron Garnet) parce qu'il possède le plus faible coefficient d'amortissement magnétique connu.

Les chercheurs ont réalisé des mesures de conductance de spin entre deux fils de platine parallèles et proches l'un de l'autre, déposés sur une couche mince de YIG. Le transport de spin est assuré par des ondes de spin se propageant dans le YIG, produites et détectées grâce à l'effet Hall de spin direct et inverse respectivement.

Les mesures du transport de spin montrent une dépendance linéaire avec le courant pour les faibles courants, puis quadratique à fort courant. Ce résultat s'interprète en montrant que différents types de magnons sont impliqués en fonction de l'énergie injectée. Plus le régime est hors d'équilibre, plus les magnons de basse énergie ont une contribution importante au transport de spin. Ces derniers ont notamment la particularité d'être très sensibles au champ magnétique externe, ce qui permet un contrôle de la conduction en spin par de faibles champs magnétiques.

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