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Fait marquant

Faire tourner le spin


​L'absorption de spin dans un matériau ferromagnétique dépend de l'orientation du spin par rapport à la magnétisation. En collaboration avec des chercheurs de Spintec, nous avons créé un dispositif de mesure pour évaluer cette absorption et mettent en évidence qu'elle était plus forte quand le spin des électrons « hors d’équilibre » est perpendiculaire à l’aimantation du matériau. Cette observation a permis d’accéder à des paramètres fondamentaux du transport de spin, expérimentalement mal connus.

Publié le 16 mars 2021
Les dispositifs basés sur l’utilisation du spin des électrons prennent de l’importance en microélectronique. En effet ce spin est complémentaire et distinct de la charge et peut donc servir de vecteur d’information. Dans un matériau ferromagnétique, caractérisé par une aimantation fixe, les électrons transportant le courant ont leur spin aligné avec celle-ci. Que se passe-t-il quand des électrons de spin non orienté avec l’aimantation sont introduits dans ce matériau ? C’est la question que ce sont posés des chercheurs de l’Irig.

Dans un matériau ferromagnétique caractérisé à l’échelle locale par une aimantation dirigée dans une certaine direction de l’espace, les électrons qui transportent le courant ont leur spin orienté dans un sens identique ou opposé à l’aimantation, ceux de même sens étant majoritaires. À l’équilibre, le rapport entre les deux groupes de spin est fixe. Mais cet équilibre peut être rompu afin de créer un déséquilibre dans cette population de spin. À l’aide de structures particulières, il est par exemple possible d’introduire des électrons de spin opposé à l’aimantation du matériau. Les spins minoritaires sont alors en surnombre. On peut également faire tourner le spin des électrons perpendiculairement à l’aimantation du matériau, sans changer celle-ci. Il y aura alors nécessairement un retour à l’équilibre, et les spins dans la direction perpendiculaire ou en surnombre seront absorbés.
La question posée est la suivante : est-ce que ces deux types de déséquilibre sont identiques en terme de retour à l’équilibre ? Formulé autrement, est-ce que la direction de l’aimantation joue un rôle dans l’absorption du spin des électrons ?
Mesurer cet effet est plus facile à imaginer qu’à faire. Les physiciens disposent de beaucoup de techniques pour mesurer ce retour à l’équilibre, mais elles sont difficiles à mettre en œuvre à l’échelle locale. Souvent, des effets parasites viennent compliquer l’interprétation.

En se basant sur leur maîtrise de la lithographie électronique et leur connaissance des matériaux ferromagnétiques, nous avons [collaboration Spintec] créé un dispositif de mesure pour évaluer cette absorption (voir figure). Nous avons alors pu mettre en évidence que l’absorption était plus forte quand le spin des électrons « hors d’équilibre » est perpendiculaire à l’aimantation du matériau. Cette observation a permis d’accéder à des paramètres fondamentaux du transport de spin, expérimentalement mal connus.


(a) Schéma du dispositif. Le disque gris, au-dessus du fil de cuivre orange, sert à absorber les spins générés par les fils gris transverses représentant des matériaux ferromagnétiques.
(b) Photographies du dispositif avec et sans nanodisque absorbant.
(c) Signal mesuré avec (vert) et sans (bleu) nanodisque.

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