L'électronique est basée sur la manipulation d'électrons et d'autres porteurs de charge, mais en plus de payer, les électrons possèdent une propriété appelée spin. Lorsque le spin est manipulé avec des champs magnétiques et électriques, le résultat est un courant polarisé en spin qui transporte plus d'informations qu'il n'est possible avec la charge seule. Electronique de transport de spin, ou spintronique, fait l'objet d'une enquête active au sein de l'European's Graphene Flagship.

La spintronique est l'étude et l'exploitation dans des dispositifs à l'état solide du spin électronique et de son moment magnétique associé, avec charge électrique. Certains considèrent le sujet comme ésotérique, étant donné les défis conceptuels de la physique et de la chimie quantiques qui le sous-tendent, mais on a dit la même chose de ce qui est aujourd'hui l'électronique grand public. La réalité est que la spintronique est un domaine en pleine maturité des sciences appliquées et de l'ingénierie, ainsi qu'une science pure fascinante à part entière.

Spin électronique et logique quantique

Avant de regarder la spintronique dans le graphène, il convient de noter que la spintronique est déjà établie dans un domaine critique de l'électronique numérique, à savoir le stockage de données.

Le spin peut être considéré comme la rotation de l'électron autour de son propre axe. C'est une forme de moment cinétique intrinsèque, et peut être détecté comme un champ magnétique avec l'une des deux orientations :haut et bas. Combiner ces orientations magnétiques avec les états de courant on/off en logique binaire, et nous avons un système de quatre états, avec les deux orientations magnétiques formant un bit quantique, ou qubit.

En termes de technologie informatique, quatre états au lieu de deux permettent des vitesses de transfert de données plus élevées, augmentation de la puissance de traitement et de la densité mémoire, et une capacité de stockage supplémentaire. Le spin électronique offre un degré de liberté supplémentaire pour stocker et manipuler les informations.

Les têtes de lecture des disques durs magnétiques modernes exploitent les effets liés au spin connus sous le nom de magnétorésistance géante (GMR) et de magnétorésistance tunnel (TMR). Dans les appareils GMR, deux ou plusieurs couches de matériaux ferromagnétiques sont séparées par une entretoise. Lorsque les vecteurs d'aimantation des couches magnétiques sont alignés, la résistance électrique est plus faible que lorsque les vecteurs sont dans le sens opposé. Un dispositif basé sur une telle configuration est connu sous le nom de vanne de spin. A TMR, le transport des électrons est obtenu par effet tunnel mécanique quantique des particules à travers un isolant séparant les couches ferromagnétiques.

Dans les deux cas, le résultat est un capteur de champ magnétique qui peut être utilisé pour lire les données encodées magnétiquement sur les disques durs. Et pas seulement les disques durs. Deux types de mémoire informatique – la mémoire magnétorésistive à accès aléatoire et la mémoire de piste – exploitent également le spin des électrons.

Transport de spin dans le graphène

Graphène, une monocouche atomique de carbone graphitique, est un matériau prometteur pour les applications de spintronique en raison de sa capacité de transport de spin à température ambiante sur des longueurs de diffusion relativement longues de plusieurs micromètres. Le graphène a également une mobilité électronique élevée, et une concentration de porteurs de charge réglable.

L'intérêt pour le transport de spin à température ambiante dans le graphène remonte à 2007, avec des expériences réalisées par le groupe de recherche du physicien de l'Université de Groningue et scientifique phare du graphène Bart van Wees. Une discussion de cette première démonstration pratique du transport de spin, avec un aperçu technique détaillé de la spintronique du graphène en théorie et en pratique, peut être trouvé dans un article publié l'année dernière dans la revue académique Nature Nanotechnologie . L'un des auteurs de la revue est le scientifique phare de Ratisbonne, Jaroslav Fabian.

Les expériences du groupe van Wees et les études ultérieures ont montré une efficacité d'injection de spin relativement faible d'environ 10 %, qui a été attribué soit à un décalage de conductance entre les métaux ferromagnétiques et le graphène, ou d'autres effets liés au contact. Des rendements considérablement plus élevés ont été obtenus en utilisant des films minces d'oxyde de magnésium comme barrière tunnel.

D'autres approches ont également été utilisées, comprenant des contacts sténopés à travers une barrière isolante, contacts transparents, dans lequel les électrodes ferromagnétiques sont en contact direct avec la couche de graphène, et l'utilisation de métaux non magnétiques tels que le cuivre. Dans le cas d'un tunnel à travers une barrière isolante, la plus grande magnétorésistance mesurée était de 130 ohms, correspondant à un rendement d'injection de spin supérieur à 60%.

Passer d'études à petite échelle à des études sur le transport du spin dans le graphène à grande surface est une étape clé vers la mise en œuvre de la spintronique du graphène à l'échelle des plaquettes de circuits intégrés. L'accent a été mis ici sur le transport de spin dans les couches de graphène en suspension, et du graphène déposé sur des substrats de nitrure de bore hexagonal (hBN). Au fur et à mesure que la technologie progresse, des longueurs de spin et des durées de vie plus longues sont observées, et un exemple pratique d'une telle hétérostructure graphène-hBN sera discuté dans un article de suivi.

Rendre le graphène magnétique

Création d'ordre magnétique dans le graphène, qui à l'état primitif est un matériau fortement diamagnétique, est un défi majeur. Néanmoins, l'induction de moments magnétiques dans le graphène est d'une importance vitale si le matériau doit être utilisé en spintronique. L'espoir est d'avoir un magnétisme accordable par dopage ou fonctionnalisation du graphène. Ceci pourrait être réalisé grâce à des défauts dans la structure cristalline hexagonale du matériau, ou l'influence des atomes adsorbés à sa surface.

Le graphène hydrogéné est un cas de référence pour le magnétisme du graphène, avec des atomes d'hydrogène absorbant chimiquement sur le graphène de manière réversible. Cela crée un déséquilibre dans le réseau cristallin, induisant un moment magnétique. Un autre adatome intéressant est le fluor, qui se lie au carbone, transformer le graphène en un isolant à large écart. Comme pour l'hydrogène, le fluor peut être chimisorbé de manière réversible sur le graphène.

« Le graphène est un matériau prometteur pour la spintronique, étant donné que ses propriétés de spin peuvent non seulement être adaptées, mais en effet défini par quels adatomes et autres matériaux 2D vous y combinez, " dit Fabian. " Une fois les bons matériaux identifiés - et c'est ce que nous étudions dans le vaisseau amiral - une voie s'ouvre vers des applications technologiques spécifiques. "

Un atome de carbone manquant, ou vacance dans la structure du graphène, crée une densité d'électrons polarisés en spin en enlevant quatre électrons des bandes, dont trois forment des états de « liaison pendante ». Deux de ces liaisons pendantes contribuent à des moments magnétiques, mais la preuve directe du -magnétisme prédit est manquante.

Allonger la durée de vie de l'essorage

La maximisation de la durée de vie du spin est essentielle lorsqu'il s'agit d'applications de la spintronique du graphène. La théorie prédit des durées de vie d'environ une microseconde pour le graphène vierge, alors que l'expérience montre des valeurs allant de dizaines de picosecondes à quelques nanosecondes. Ce n'est qu'avec des durées de vie de la nanoseconde et plus que le transport de spin dans le graphène s'avérera utile dans des applications du monde réel. L'écart de plus de deux ordres de grandeur est une préoccupation sérieuse, et cela suggère que la source de relaxation de spin est d'origine extrinsèque, telles que les impuretés, défauts ou ondulations dans le graphène étudié.

Des durées de vie de quelques nanosecondes ont été observées expérimentalement pour des valves de spin en graphène sur des substrats en dioxyde de silicium avec des contacts tunnel, mais avec des contacts sténopés, les durées de vie mesurées ne sont que d'une fraction de nanoseconde. La relaxation de spin induite par le contact est un facteur important. Cela peut être minimisé en améliorant la qualité des contacts, et rendre la distance entre les électrodes ferromagnétiques beaucoup plus grande que la longueur de relaxation de spin du graphène en vrac.

Malgré de nombreuses études théoriques, l'origine de la relaxation de spin dans le graphène est peu comprise. Deux mécanismes ont été avancés pour expliquer les tendances expérimentales. Les deux ont leurs origines dans la spintronique des métaux et des semi-conducteurs, et ils reposent chacun sur le couplage spin-orbite et la diffusion de l'impulsion. Le couplage spin-orbite est l'interaction du spin d'un électron avec son mouvement, ce qui conduit à des changements dans les niveaux d'énergie atomique de la particule en raison de l'interaction entre le spin et le champ magnétique généré par l'orbite de l'électron autour du noyau atomique.

Le problème est qu'aucun des mécanismes de relaxation de spin proposés ne fonctionne. Les deux prédisent des durées de vie en microsecondes, pourtant, les expériences montrent au mieux quelques nanosecondes. Le seul mécanisme qui concorde avec l'expérience pour le graphène monocouche et bicouche est basé sur la diffusion résonante par des moments magnétiques locaux. Ce modèle a été proposé par le groupe de recherche de Fabian à Ratisbonne.

Ce que des études récentes indiquent, c'est que la mobilité des électrons n'est pas le facteur limitant pour la durée de vie du spin, et la diffusion entre les particules chargées et les impuretés n'est pas principalement responsable de la relaxation de spin dans le graphène. Cela dit, déterminer la principale source de relaxation de spin reste un défi important pour les chercheurs en graphène. L'identifier devrait aider à augmenter la durée de vie de spin dans le graphène vers la limite théorique, qui aura des implications importantes pour la science fondamentale et les applications technologiques.

Directions futures

En conclusion de leur revue Nature Nanotechnology, Fabian et ses collègues considèrent le graphène dans des dispositifs logiques basés sur le couple de transfert de spin qui utilisent des spins et des aimants pour le traitement de l'information. Les dispositifs à logique de spin font désormais partie de la feuille de route technologique internationale pour les semi-conducteurs, en vue de leur inclusion dans les futurs ordinateurs.

Des exemples de dispositifs à logique de rotation comprennent les micropuces réinscriptibles, transistor, des portes logiques, capteurs magnétiques et nanoparticules semi-conductrices pour l'informatique quantique. Ces opportunités et d'autres pour la spintronique à base de graphène sont discutées dans la feuille de route scientifique et technologique récemment publiée pour le graphène, cristaux bidimensionnels apparentés, et hybrides". La feuille de route a été élaborée dans le cadre du projet européen Graphene Flagship, un consortium international académique/industriel, financé en partie par la Commission européenne, consacré au développement du graphène et d'autres matériaux en couches.

La spintronique peut être un domaine de recherche et développement relativement jeune, mais ces dernières années, nous avons constaté des progrès significatifs vers de longues durées de vie de spin et des longueurs de diffusion dans le graphène et les matériaux associés. Les chercheurs de Graphene Flagship sont au cœur de cet effort mondial.