Section 03 Matière condensée : structures et propriétés électroniques

III. Magnétisme et électronique de spin

Dans le domaine du magnétisme, les chercheurs de la section étudient aussi bien l'origine microscopique de l'aimantation (magnétisme quantique, magnétisme frustré, etc.) que les phénomènes collectifs liés à cette aimantation (domaines, dynamique, manipulation, effets sur le transport électrique, etc.). Nous décrivons ici ce second axe, le premier étant traité dans la section consacrée aux systèmes corrélés (voir en particulier IV.E). Les objectifs des études se situent selon deux volets – souvent indissociables – à savoir la compréhension des comportements magnétiques en basse dimension, le nano-magnétisme, et l'implication du magnétisme ou des textures magnétiques dans le transport électronique, l'électronique de spin. De façon générale, le dynamisme de cette thématique résulte d'une part d'une synergie entre théoriciens, physiciens expérimentateurs et chimistes motivés par le développement de nouveaux matériaux, d'autre part du spectre étendu des stimuli auxquels l'aimantation d'un matériau réagit de manière directe ou indirecte et pour finir des possibilités de mise en forme et fonctionnalisation permises dans les centrales de technologie.

En nano-magnétisme, la plupart des recherches actuelles concernent l'étude des arrangements de moments au sein de textures magnétiques comme les parois magnétiques, les skyrmions ou vortex. On s'intéresse non seulement à la structure interne de nano-objets magnétiques et à leurs interactions mais aussi à leur dynamique ainsi qu'à leur manipulation par différentes méthodes. Les progrès récents des méthodes expérimentales en termes de résolutions spatiale et temporelle, comme des méthodes de simulation numérique (codes en éléments finis, prise en compte des effets thermiques, etc.) sont à la base des évolutions dans le domaine. D'un point de vue simulations, des codes de calculs GPU font leur apparition offrant des vitesses de calcul en laboratoire cent à mille fois supérieures aux solutions CPU traditionnelles. De plus, des combinaisons micromagnétique – atomistique apparaissent permettant de décrire de petits objets (vortex, point de Bloch, skyrmions). D'un point de vue de l'observation, diverses microscopies magnétiques complémentaires se développent. Il convient de signaler la microscopie à champ proche effectuée à l'aide de défauts dans le diamant. Il faut insister sur les aspects non perturbatifs, rares en champ proche, et quantitatifs de cette technique. Les microscopies électroniques plein champ de Lorentz et holographiques, bien adaptées aux études en temps réel avec une résolution de l'ordre de 5 nm, se sont, elles, déjà bien développées dans les dernières années, soutenues par le réseau de microscopie METSA. Les microscopies PEEM et STXM sont en phase de démarrage à SOLEIL. En spintronique, les développements récents dans le domaine se caractérisent par des progrès notables dans le domaine des matériaux et la compréhension des configurations du micro-magnétisme. Les effets comme le transfert de spin qui découlent des travaux antérieurs sur la magnétorésistance géante continuent à être étudiés avec un regain d'intérêt pour les hétérostructures à aimantation perpendiculaire qui présentent certains avantages pour les applications. Ils cèdent peu à peu leur place à de nouvelles tendances comme l'oxytronique i.e. l'utilisation de nouveaux matériaux comme les oxydes, la spincaloritronique i.e. l'utilisation contrôlée de gradients de température, la spinorbitronique [effets Hall de spin (direct et inverse) et effets spin-orbite aux interfaces] ou la magnonique. Enfin, de nouveaux thèmes se développent depuis quelques années à l'interface entre la spintronique et les autres grands domaines de la physique de la matière condensée : semi-conducteurs, physique mésoscopique, électronique moléculaire, etc.

A. Ingénierie des interfaces et couplages à l'interface

Après de nombreuses études sur l'anisotropie perpendiculaire induite par des interfaces, les interactions chirales induites par le couplage spin-orbite à une interface font aujourd'hui l'objet de nombreuses études. On appelle spin-orbitronique l'ensemble des propriétés induites par le spin-orbite en nano-magnétisme et spintronique.

1. Couplage spin-orbite aux interfaces et interactions chirales de type DMI

Dans les matériaux massifs dont la symétrie d'inversion est brisée, l'interaction « Dzyaloshinskii-Moriya », conduit à des structures magnétiques complexes de type spirales, hélices. Dans les films magnétiques ultra-minces dont l'une des interfaces inclut un matériau avec un fort couplage spin-orbite, ce type d'interaction peut apparaître et avoir un fort impact sur les configurations de parois. De manière indirecte, dans des pistes submicroniques Pt/Co/AlOx, l'effet de l'interaction « Dzyaloshinskii-Moriya » a ainsi permis d'expliquer la dynamique anormale de parois de domaines sous courant polarisé en spin avec des vitesses de propagation très élevées. Récemment, il a été montré qu'en jouant sur les interfaces et les matériaux, l'interaction « Dzyaloshinskii-Moriya » peut être modulée, y compris en signe. Révélés récemment dans les films minces magnétiques, les skyrmions, autre classe de textures magnétiques chirales, sont des solitons topologiques d'extension spatiale d'environ 5 à 10 nm, topologiquement protégés, tolérants aux défauts. Des simulations micro-magnétiques indiquent qu'ils seront faciles à déplacer sous courant polarisé en spin, ce qui les rend attrayants pour le stockage de données à ultra-haute densité et le traitement de l'information. Des réalisations expérimentales de nucléation et annihilation de ces structures sont en cours et agitent la communauté du nano-magnétisme.

2. Effets Hall de spin, effets spin-orbite aux interfaces

On réalise également que les interfaces jouent, à travers le couplage au transport, un rôle fondamental en spintronique. Dans cette perspective, sont actuellement développées des études d'ingénierie des interfaces pour contrôler les effets Hall de spin (direct ou inverse) et Rashba. Il s'agit ici de générer ou détecter des courants de spin en utilisant notamment des matériaux à fort couplage spin orbite au voisinage de matériaux magnétiques, pour l'injection et la détection. Le matériau support de la transmission peut être un métal, un semi-conducteur ou bien un isolant. Il est à noter un fort engouement pour le système YIG/Pt pour lequel des transmissions de l'information de spin sur des millimètres ont pu être rapportées et ont motivé une partie de la communauté. En parallèle, des développements matériaux pour renforcer le taux de conversion courant de charges/courant de spin ont été entrepris.

B. Couplage à de nouveaux degrés de liberté

On s'intéresse ici au contrôle de l'état magnétique par des procédés autres que ceux de l'application classique d'un champ magnétique : courant polarisé en spin, champ électrique ou électromagnétique, déformation ou température. D'un intérêt fondamental certain, ces couplages sont également d'intérêt pour les applications spintroniques ou pour l'étude de circuits neuronaux artificiels pour le traitement cognitif de l'information.

Transfert de spin

Les effets de transfert de spin recouvrent la physique des interactions entre un fort courant polarisé en spin et l'aimantation d'un corps ferromagnétique. Le couple associé à cette interaction permet de manipuler l'aimantation uniquement par transfert du moment angulaire de spin depuis un flux de spins porté par le courant électrique. Lorsqu'un renversement de l'aimantation ou une propagation de paroi est obtenu, ces effets ont permis le développement de mémoires magnétiques non volatiles sous forme de piliers (STT-RAM) ou pistes (racetrack memory). Les enjeux se sont focalisés sur la réduction du courant de retournement qui a pu être obtenue en jouant sur les matériaux, leur direction d'aimantation ou la géométrie d'injection du courant, notamment perpendiculaire aux parois. Lorsqu'une précession est engendrée, le transfert de spin permet la génération et la modulation de signaux radiofréquences dans la gamme 100 MHz-60GHz, associés à la dynamique magnétique hyperfréquence induite par transfert de spin. Plusieurs problèmes importants restent à ce jour à améliorer tels que la puissance émise et la largeur de raie (notamment par la synchronisation des oscillateurs). Enfin, récemment, une solution alternative et innovante basée sur des couples liés à l'interaction spin-orbite a récemment émergé pour agir sur la configuration magnétique statique ou dynamique d'une nanostructure magnétique à partir de l'injection de spins polarisés par des matériaux non magnétiques à fort couplage spin orbite en contact avec le ferromagnétique.

Champ électrique

De nombreuses tentatives de contrôle électrique de l'aimantation par un champ électrique ont récemment été reportées dans la littérature. Dans un premier cas, il est particulièrement efficace aux interfaces avec les métaux ou dans le cas des SC magnétiques dilués présentant un faible nombre de porteurs et dans lesquels magnétisme et conduction sont liés. Dans un second cas, un contrôle électrique à température ambiante est aussi obtenu dans des hétéro-structures combinant des matériaux multiferroïques tel que BiFeO3, un matériau antiferromagnétique et ferroélectrique, et des métaux de transition magnétiques. En changeant la configuration en domaines ferroélectrique-antiferromagnétique, un contrôle du couplage d'échange à l'interface est observé. Les composés intrinsèquement multiferroïques sont cependant peu nombreux. C'est pour cela que les combinaisons, plus nombreuses, de matériaux magnétiques et de matériaux piézoélectriques ou ferroïques ouvrent la voie également au contrôle de l'anisotropie magnétique ou de la température de transition (température de Curie ou de transition entre deux phases magnétiques) par la contrainte imposée par un champ électrique sur le substrat.

Excitation par la lumière

L'interaction lumière-matière s'invite en nano-magnétisme et électronique de spin. Le retournement déterministe de l'aimantation à l'aide d'impulsions laser ultra-rapides a été étendu à une large classe d'alliages et de multicouches, dépourvus de terre rare et compatibles avec les dispositifs spintroniques. L'étude de la dynamique d'aimantation à l'échelle femto-seconde se trouve renforcée par ces découvertes avec de nouveaux éléments de compréhension obtenus dans les multicouches, alliages et structures en domaines de bandes. De telles échelles de temps posent également de nouvelles questions fondamentales, comme le rôle de la vitesse du son dans l'établissement de la contrainte. Les excitations lumineuses ont également été utilisées pour l'adressage des défauts dans les couches isolantes de jonctions tunnel montrant leur impact sur le transport tunnel dépendant du spin et des symétries.

Excitation par la température

Une tendance récente consiste à utiliser les gradients de température soit pour manipuler directement l'aimantation d'un matériau (position d'une paroi de domaines par exemple), soit pour générer des tensions ou des courants purs de spin, permettant soit de lire l'état magnétique d'un dispositif soit de retourner l'aimantation par effet de couple de transfert de spin. Cette nouvelle discipline, appelée spin caloritronique, est motivée par les applications dans le domaine de la récupération d'énergie où les dispositifs électroniques seraient alimentés par les flux de chaleur et non plus par les sources d'énergie électrique conventionnelles. Les notions de thermoélectricité dépendante du spin, spin Seebeck, effet Nernst anormal ont émergé et font débat dans la communauté.

C. Magnonique

La magnonique (génération, propagation, et interférences d'ondes de spin (OS) guidées dans des nanostructures) est un domaine en pleine expansion. Les OS sont utilisées comme un vecteur pour la transmission et la transformation ultra-rapides de signaux électriques à l'échelle nanométrique. La formation des solitons à 1D ou 2D, les différents types de l'instabilité paramétrique, les processus de renversement du front d'onde et la condensation de Bose-Einstein à température ambiante sont quelques exemples de sujets qui ont été très étudiés. Les recherches sur les dispositifs magnoniques reconfigurables pour lesquels les structures de bandes peuvent être reprogrammées pendant l'opération ont été entreprises. En ce qui concerne les matériaux utilisés, les ferrites, notamment le grenat d'yttrium, restent privilégiés, grâce au faible amortissement des OS dans ces matériaux. Les matériaux métalliques présentent des longueurs de propagation beaucoup plus faibles et posent à ce jour les problèmes d'excitation et de détection des OS. Une solution envisagée pour résoudre ces problèmes est l'utilisation des nano-oscillateurs à spin-torque pour convertir le courant continu en oscillations d'aimantation aux fréquences micro-ondes. Un autre défi à relever est la fabrication de cristaux magnoniques 3D ou, par exemple, l'étude de la propagation des magnons dans les antiferromagnétiques. L'association des cristaux magnoniques avec les hétérostructures multiferroïques ou matériaux piézoélectriques peut permettre de développer davantage le contrôle des OS. Récemment découverts, les réseaux magnétiques formés par les skyrmions et la glace de spin artificielle stimuleront davantage les recherches sur les cristaux magnoniques.

D. Semi-conducteurs et conducteurs bidimensionnels

Les travaux sur le potentiel des semi-conducteurs pour la spintronique continuent avec comme motivations la possibilité de déplacer des parois avec de faibles densités de courant, de transporter le signal de spin sur de longues distances, l'opportunité de transformer l'information stockée via le spin en polarisation lumineuse (cohérente ou non) et inversement, ainsi que de manipuler le signal en variant la concentration de porteurs. De nouveaux développements ont été obtenus pour la spintronique avec graphène. Initiés avec la perspective de longs temps de vie du spin (lié au faible couplage spin orbite intrinsèque) et de très fortes mobilités, ces travaux ont aujourd'hui permis de démontrer le potentiel du graphène comme plate-forme pour le transport de spin, avec notamment la réalisation du triptyque injection/propagation/détection d'un courant de spin. Au-delà de ces propriétés de transport latéral, de nouvelles opportunités ont émergé et ont motivé de nombreuses propositions théoriques. Les premières études sont en cours : greffage de molécules organiques, magnétisme induit, barrière tunnel pour l'injection, membrane filtre à spin, etc. Par ailleurs, s'inscrivant dans la suite du graphène, de nouveaux matériaux bidimensionnels sont aujourd'hui à l'étude pour la spintronique (semi-conducteur tel que MoS2, isolant tel que h-BN, seul ou au sein d'hétéro-structures h-BN/Graphène).

E. Spintronique moléculaire et spin-terface

La spintronique moléculaire est un domaine de la nano-électronique aux perspectives prometteuses tant pour la réalisation de circuits utiles au stockage de données que pour le domaine de l'information quantique. La combinaison de matériaux banals tels que du cobalt (Co) et des molécules engendre une interface au sein d'un dispositif capable de filtrer en spin 84 % du courant qui la traverse. L'effet nécessite une seule molécule, ce qui laisse présager des nano-dispositifs. Dans un transistor métal-molécule-métal, les phénomènes de conduction peuvent aussi être de nature quantique, et la physique associée extrêmement riche. En effet, outre des applications de type mémoire magnétique et électronique, ces transistors permettent d'étudier les effets quantiques qui apparaissent à l'échelle nanométrique (effet tunnel, contrôle d'un spin unique, décohérence, etc.)

F. Oxytronique

L'électronique à base d'oxydes (« oxytronique ») est actuellement une voie prometteuse pour le développement d'une électronique « Beyond-CMOS » combinant plusieurs fonctionnalités sur la même puce. Même si l'oxytronique n'en est qu'à ses débuts, des résultats notables ont été obtenus. La découverte d'un gaz bidimensionnel à l'interface entre deux oxydes isolants, SrTiO3 et LaAlO3, a motivé beaucoup d'études qui ont permis de mettre en évidence la coexistence du magnétisme et d'une supraconductivité bidimensionnelle à cette même interface. Ces études se sont récemment élargies à d'autres combinaisons de matériaux. De même la démonstration du contrôle électrique de la polarisation en spin dans des jonctions tunnel magnétiques à barrière ferroélectrique ou le contrôle électrique non volatile, via l'utilisation d'un ferroélectrique, dans des composants de type FET, du magnétisme, de la supraconductivité ou de la conduction d'un isolant de Mott, démontrent le potentiel de ces matériaux pour une nouvelle électronique ou spintronique.