La spintronique à la source de l’information

Dans leurs récents travaux dans le domaine de l’électronique de spin, la spintronique, dirigés par les Dr Pascal Martin et Clément Barraud, les équipes de recherche des laboratoires Interfaces Traitements Organisation et DYnamique des Systèmes (ITODYS) et Matériaux et Phénomènes Quantiques (MPQ), ont créé de nouvelles hétérostructures et mis au jour les mécanismes par lesquels ces dernières permettent le codage de l’information qui sera ensuite transporter au travers de circuits de spin. Leurs résultats ont été publiés le 22 août 2022 dans la revue Nanoscale.

La spintronique est une technologie quantique née dans la fin des années 1980. Elle regroupe l’exploration de nouveaux matériaux et de phénomènes physiques utilisant non seulement la charge électrique des électrons pour transmettre de l’information, mais aussi son spin, propriété intrinsèque des électrons qui est une grandeur quantique sans équivalent à notre échelle. Cette propriété, à l’origine du magnétisme, peut être décrite en comparant l’électron à un petit aimant qui s’oriente vers le haut ou vers le bas, ce qui permet de coder l’information de façon binaire, sous une forme connue du grand public : les codes composés de 0 (spin bas) et de 1 (spin haut). Ce codage est déjà largement utilisé dans les disques durs et autres mémoires vives MRAM (Magnetic Random Access Memory).

Dans leurs précédents travaux, les chercheurs s’étaient intéressés au transport de l’information quantique de spin^1,2. Désormais ils travaillent sur l’étape amont qu’est la génération électrique de l’information de spin. C’est bien ce degré de liberté que constitue le spin d’un électron qui intéresse tout particulièrement les Dr Clément Barraud (laboratoire MPQ) et Pascal Martin (laboratoire ITODYS) qui ont cherché à comprendre de quelle façon est générée l‘information et comment il est possible d’intervenir sur cette étape.

L’intérêt de ces équipes de recherche pour la spintronique est donc d’étudier le phénomène quantique à l’origine du codage de l’information. Pour les futurs circuits électroniques, les codes faits de « 0 » et de « 1 » que nous connaissons ne sont en fait que le résultat d’un « filtrage » des spins opéré par des dispositifs de spintronique.

Ces travaux menés conjointement par les équipes de recherche des laboratoires ITODYS et MPQ d’Université Paris Cité mais aussi à l’Unité Mixte de Physique CNRS/Thales à Palaiseau et du Trinity College à Dublin ont rassemblé des compétences pluridisciplinaires puisqu’ils ont nécessité la collaboration de chimistes et de physiciens pour composer et assembler les matériaux, mais aussi de spécialistes en calcul théorique et en mesures physiques.

Un des matériaux clés qui a été choisi ici est le graphène, une feuille monoatomique de carbone (1 atome d’épaisseur) dont la structure cristallographique, dite en nid d’abeille, a des propriétés électroniques inédites déjà utilisées pour certains prototypes d’écrans tactiles et de transistors… Mais les chercheurs ne se sont pas contentés de ces propriétés intrinsèques qui assurent la rapidité de déplacement des électrons dans cette structure et donc de la rapidité des processeurs, ils l’ont utilisé aussi pour les possibilités importantes qu’il offre à la réalisation de manipulations de chimie de surface. Ainsi, le graphène constitue un substrat de choix sur lequel il est possible d’accrocher des molécules organiques ou organométalliques qui lui confèrent de nouvelles propriétés, dont celle qui est au cœur des travaux récemment publiés : la capacité à filtrer efficacement les spins et à générer et contrôler électriquement le code d’une information. En effet, si l’électronique classique laisse passer indifféremment les spins hauts et bas, les dispositifs de spintronique permettent, en jouant sur les matériaux les composant, ici les molécules accrochées au graphène, de les trier pour laisser passer majoritairement les spins hauts ou les spins bas selon la tension qui est appliquée aux bornes du dispositifs. Ainsi, en jouant sur la tension appliquée aux dispositifs qu’ils ont créés, les chercheurs sont aujourd’hui en mesure de générer électriquement une information sur support quantique qui peut être transportée et stockée³.

Dans leurs travaux, les chercheurs ont fixé des molécules de nitrobenzène sur le graphène. Désormais ils s’intéressent à tester différentes molécules à fixer sur le graphène pour développer de nouvelles propriétés.

1. P. Martin, B. Dlubak, P. Seneor, R. Mattana, M. Martin, P. Lafarge, F. Mallet, M. L. Della Rocca, S. M. ‐M. Dubois, J. C. Charlier and C. Barraud, Adv. Quantum Technol., 2022, 5, 2100166.

2. R. Bonnet, P. Martin, S. Suffit, P. Lafarge, A. Lherbier, J. C. Charlier, M. L. Della Rocca and C. Barraud, Sci. Adv., 2020, 6, eaba5494.

3. P. Martin, B. Dlubak, R. Mattana, P. Seneor, M.-B. Martin, T. Henner, F. Godel, A. Sander, S. Collin, L. Chen, S. Suffit, F. Mallet, P. Lafarge, M. L. Della Rocca, A. Droghetti and C. Barraud, Nanoscale, 2022, 14, 12692–12702.

Références

Combined spin filtering actions in hybrid magnetic junctions based on organic chains covalently attached to graphene

Pascal Martin, Maître de Conférences à Université Paris Cité – Laboratoire Interfaces Traitements Organisation et DYnamique des Systèmes – UMR7086, Université Paris Cité – CNRS

Clément Barraud, Maître de Conférences à Université Paris Cité – Laboratoire Matériaux et Phénomènes Quantiques – UMR 7162, Université Paris Cité – CNRS