Le domaine en expansion de la spintronique promet une nouvelle génération de dispositifs en profitant du degré de liberté de spin de l'électron en plus de sa charge pour créer de nouvelles fonctionnalités impossibles avec l'électronique conventionnelle. L'effet de magnétorésistance géante (GMR) (prix Nobel de physique 2007) est un exemple paradigmatique d'application de la spintronique. Comme l'interface entre les matériaux magnétiques et non magnétiques est un élément clé d'un tel dispositif, il est crucial de caractériser et de comprendre à la fois les propriétés électroniques et magnétiques de surface et de masse.

Dans une publication récente en Communication Nature , une joint-venture entre théoriciens, des expérimentateurs et des producteurs d'échantillons dirigés par un groupe du Conseil national de la recherche (CNR) de Trieste, Italie, rapporte une étude de spectroscopie de photoémission systématique de deux matériaux représentatifs pour des applications de spintronique, (Géorgie, Mn)As et La1-xSrxMnO3. En utilisant l'énergie photonique du rayonnement synchrotron incident de la ligne de lumière d'analyse structurelle de surface et d'interface (I09) à Diamond Light Source comme outil de profilage en profondeur, ils ont pu quantifier la variation de l'intensité de l'ordre magnétique et de la conduction électrique de la surface vers la masse du matériau. Cette étude établit les différentes propriétés des surfaces par rapport au volume et les profondeurs « critiques » caractéristiques nécessaires pour restaurer les propriétés du volume, qui sont des informations cruciales pour la conception de tout dispositif spintronique basé sur ces matériaux.

Défi des matériaux pour les applications de spintronique

L'électronique moderne repose sur la capacité de contrôler les courants dans les dispositifs à semi-conducteurs tels que les transistors et les diodes. Cependant, en plus de leur charge, les électrons possèdent une autre propriété de mécanique quantique connue sous le nom de « spin », qui est responsable du phénomène de magnétisme. Dans les matériaux utilisés pour l'électronique conventionnelle, comme le silicium, le spin est un degré de liberté redondant, mais le but du domaine émergent de la spintronique est de pouvoir créer des dispositifs dans lesquels les courants de charge et de spin peuvent être contrôlés simultanément, permettant une nouvelle génération de dispositifs logiques et de mémoire.

Tout dispositif spintronique potentiel devra incorporer un matériau à la fois magnétique et électriquement conducteur, permettant la propagation d'un "courant de spin". D'une manière générale, deux approches de « dopage » de ce défi des matériaux sont envisageables - soit en introduisant des éléments magnétiques tels que le manganèse dans un semi-conducteur autrement non magnétique, tels que (Ga, Mn)Comme, ou en introduisant des transporteurs supplémentaires par, par exemple, remplacer certains atomes de lanthane par un autre de strontium, donnant ainsi un électron supplémentaire dans La1-xSrxMnO3 ; dans les deux cas, on peut induire du magnétisme. Par contrôle de la composition chimique, il est possible de régler et d'optimiser les propriétés en vrac du matériau, y compris la densité de porteurs et la température critique en dessous de laquelle le matériau est magnétique (ou pour être précis, ferromagnétique). Cependant, si ces matériaux doivent être utilisés dans des dispositifs pratiques, ils seront utilisés dans les interfaces avec d'autres composants, et par conséquent, il est d'une importance cruciale de comprendre également comment les propriétés des surfaces du matériau peuvent différer du comportement en profondeur dans la masse de l'échantillon. De plus, il est primordial de déterminer quantitativement l'échelle de longueur sur laquelle les propriétés de type volumineux se développent.

Informations dépendantes de la profondeur de la spectroscopie photoélectronique à I09

L'extraction expérimentale d'informations dépendantes de la profondeur sur le caractère métallique des électrons n'est pas une mince affaire. Cependant, les calculs théoriques effectués dans le cadre de cette étude ont établi que le degré de « métallicité » pouvait être indirectement sondé via une mesure connue sous le nom de spectroscopie de photoémission. Ces calculs ont été effectués par le professeur Gerrit van der Laan de Diamond et le professeur Munetaka Taguchi de Spring8 et NAIST, Japon. Dans cette technique, un faisceau de rayons X est projeté sur l'échantillon d'intérêt, expulsant des électrons appelés photoélectrons. Le profil énergétique de ces photoélectrons révèle des informations sur les états électroniques à l'intérieur de l'échantillon, et il a été montré qu'une caractéristique « satellite » étroite située à côté des pics plus conventionnels provenant d'électrons dans une couche particulière « 2p » de manganèse pouvait être interprétée comme une empreinte claire de la présence d'un comportement métallique.

Comme les photoélectrons doivent sortir de l'échantillon par sa surface pour être détectés, on pourrait s'attendre à ce que la technique soit la plus sensible aux états électroniques près de la surface de l'échantillon. C'est généralement vrai, mais en réglant l'énergie du faisceau de rayons X entrant, on peut faire varier l'échelle de longueur caractéristique qui est sondée dans la mesure. Avec des rayons X à plus haute énergie, les photoélectrons éjectés ont également une énergie plus élevée, et peut sortir de l'échantillon plus profondément à l'intérieur du matériau.

C'est là qu'intervient la ligne de lumière d'analyse structurelle de surface et d'interface (I09) à Diamond Light Source. I09 est une ligne de lumière très polyvalente, dans lequel des mesures de spectroscopie photoélectronique peuvent être effectuées avec une excellente résolution, haute intensité de faisceau, et—essentiellement pour cette étude—une gamme exceptionnellement large d'énergies de rayons X. Ces caractéristiques donnent aux chercheurs la possibilité de mesurer soit des surfaces sensibles aux basses énergies, ou d'utiliser des énergies élevées pour voir en profondeur dans la masse de l'échantillon, avec toutes les autres considérations expérimentales maintenues constantes (notez que « profond » dans ce contexte est toujours environ 500 fois plus petit que la largeur d'un cheveu humain !). "Dans nos mesures à I09, nous avons pu quantifier et suivre les détails fins de la structure électronique au sein du même matériau en fonction de la profondeur, de la surface à la masse" a décrit Tommaso Pincelli, un doctorant du CNR, Trieste et auteur principal de l'étude.

Échelles de longueur dépendantes du matériau – mais la surface est toujours différente

En effectuant ces mesures de spectroscopie photoélectronique dépendantes de l'énergie sur (Ga, Mn)As et La1-xSrxMnO3, les chercheurs ont pu démontrer que le comportement métallique dans la masse était fortement supprimé à la surface. Les deux matériaux différents ont montré des échelles de longueur caractéristiques différentes nécessaires pour développer des propriétés de type vrac :1,2 nm et 4 nm respectivement. Ce sont des paramètres cruciaux pour la conception de tout dispositif spintronique basé sur ces matériaux :il n'est pas seulement nécessaire que l'on puisse concevoir la structure atomique physique avec une précision sub-nanométrique, mais la variation des propriétés électroniques sur ces échelles de longueur est également importante. "Ces échelles de longueur électroniques sont assez importantes et doivent être prises en compte dans la conception de tout futur dispositif" a conclu le Dr Giancarlo Panaccione, l'auteur correspondant de l'étude.