Un courant de spin dans un isolant électrique
Publié par Adrien le 18/11/2018 à 08:00
Source: CEA
Selon une étude de l'Inac impliquant l'Iramis, les isolants électriques peuvent se révéler d'excellents conducteurs de spin. Ils possèdent en outre des propriétés de transport non linéaires, contrôlables grâce à un champ magnétique (En physique, le champ magnétique (ou induction magnétique, ou densité de flux magnétique) est une grandeur caractérisée par la donnée d'une intensité et d'une direction,...) externe. 

Des progrès technologiques récents permettent de mieux exploiter l'effet Hall (L'effet Hall classique a été découvert en 1879 par Edwin Herbert Hall : un courant électrique traversant un matériau baignant dans un champ magnétique engendre une tension...) de spin (Le spin est une propriété quantique intrinsèque associée à chaque particule, qui est caractéristique de la nature de la particule, au même...) et le transfert de spin entre couches minces juxtaposées. Il devient ainsi possible de convertir dans certains métaux un courant de charge (La charge utile (payload en anglais ; la charge payante) représente ce qui est effectivement transporté par un moyen de transport donné, et qui donne lieu à un paiement ou un bénéfice non pécuniaire pour être...) en un pur courant de spin. Celui-ci peut alors être transmis à une couche mince (Une couche mince est une fine pellicule d'un matériau déposée sur un autre matériau, appelé « substrat ». Le but de la couche mince est de donner des propriétés particulières à la...) 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 (Une interface est une zone, réelle ou virtuelle qui sépare deux éléments. L’interface désigne ainsi ce que chaque élément a besoin de connaître de l’autre pour pouvoir fonctionner correctement.) puisse être transporté dans l'isolant (Un isolant est un matériau qui permet d'empêcher les échanges d'énergie entre deux systèmes. On distingue : les isolants électriques, les isolants...) sous forme d'onde (Une onde est la propagation d'une perturbation produisant sur son passage une variation réversible de propriétés physiques locales. Elle transporte de l'énergie sans transporter de matière.) de spin (magnon).

Cette avancée élargit aux isolants électriques la gamme des matériaux (Un matériau est une matière d'origine naturelle ou artificielle que l'homme façonne pour en faire des objets.) 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 (Le fer est un élément chimique, de symbole Fe et de numéro atomique 26. C'est le métal de transition et le matériau ferromagnétique le plus courant dans la vie quotidienne, sous forme pure ou d'alliages. Le...) et d'yttrium (YIG, Yttrium Iron Garnet) parce qu'il possède le plus faible coefficient (En mathématiques un coefficient est un facteur multiplicatif qui dépend d'un certain objet, comme une variable (par exemple, les coefficients d'un...) d'amortissement magnétique connu.

Les chercheurs ont réalisé des mesures de conductance de spin entre deux fils de platine (Le platine est un élément chimique de symbole Pt et de numéro atomique 78.) parallèles et proches l'un de l'autre, déposés sur une couche mince de YIG. Le transport (Le transport est le fait de porter quelque chose, ou quelqu'un, d'un lieu à un autre, le plus souvent en utilisant des véhicules et des voies de communications (la route, le canal ..). Par assimilation,...) 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 (En mathématiques, l'inverse d'un élément x d'un ensemble muni d'une loi de composition interne · notée multiplicativement, est un élément y tel que x·y = y·x = 1, si 1...) 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 (Dans le sens commun l'énergie désigne tout ce qui permet d'effectuer un travail, fabriquer de la chaleur, de la lumière, de produire un mouvement.) 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 (Un champ correspond à une notion d'espace défini:) magnétique externe, ce qui permet un contrôle (Le mot contrôle peut avoir plusieurs sens. Il peut être employé comme synonyme d'examen, de vérification et de maîtrise.) de la conduction en spin par de faibles champs magnétiques.

Cette étude, réalisée en collaboration avec l'Unité mixte de physique (La physique (du grec φυσις, la nature) est étymologiquement la « science de la nature ». Dans un sens...) CNRS-Thales (Palaiseau) de l'Université de Paris (L’Université de Paris était l’une des plus importantes et des plus anciennes universités médiévales. Apparue au...) Saclay et l'Université (Une université est un établissement d'enseignement supérieur dont l'objectif est la production du savoir (recherche), sa conservation et sa transmission...) de Bretagne occidentale (Brest), 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. 

Références

Nonlinear spin conductance of yttrium iron garnet thin films driven by large spin-orbit torque, Phys. Rev. B 

Electrical properties of epitaxial yttrium iron garnet ultrathin films at high temperatures, Phys. Rev. B 
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