Spintronique

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La spintronique, électronique de spin ou magnétoélectronique, est une technique qui exploite la propriété quantique du spin des électrons dans le but de stocker des informations.

Introduction[modifier | modifier le code]

L'électronique classique repose sur une propriété essentielle d'une particule élémentaire (électron), sa charge électrique. Avec le développement poussé de la technique du silicium (technique top-down), la gravure des circuits intégrés va atteindre une limite physique de miniaturisation qu'il ne sera pas possible de dépasser sans devoir repenser le concept même de cette technique (développement d'une électronique moléculaire ou une autre technique bottom-up). La spintronique repose sur la technique du silicium, bien maîtrisée, mais permet d'exploiter une propriété supplémentaire de l'électron, la propriété quantique de spin. Elle offre des possibilités d'applications nouvelles, sans pour autant modifier totalement la technique employée par les fondeurs.

Le spin[modifier | modifier le code]

Article détaillé : Spin.

Le spin est une propriété quantique d'une particule qui, d'une manière imagée (et un peu faussée) pourrait être décrite comme un moment cinétique dû à la rotation de cette particule sur elle-même, à l'instar d'une toupie. Le spin est l'équivalent quantique du moment cinétique en physique classique. Le moment cinétique quantique a ceci d'étonnant qu'il est responsable du moment magnétique que porte une particule possédant un spin. D'une manière encore imagée, une particule possédant un spin serait un minuscule aimant.

Quand on lui applique un champ magnétique approprié, le spin de l’électron bascule d’une orientation à l’autre. Les dispositifs spintroniques exploitent cette propriété, qui permet de stocker de l’information : le support matériel est divisé en minuscules zones correspondant à autant de bits d’information, et un champ magnétique est appliqué bit par bit pour orienter les spins des électrons des atomes. Chaque zone correspondra alors à un bit de valeur 0 ou 1 selon l’orientation (haut ou bas) des spins dans cette zone[1].

Pour mieux se représenter cela, par analogie avec la physique classique, imaginons une charge électrique suivant une trajectoire circulaire. La loi d'Ampère nous apprend qu'un courant électrique crée un champ magnétique. L'intensité de ce champ magnétique sera en relation directe avec la manière dont l'électron tourne sur cette trajectoire circulaire, et une manière de caractériser ce mouvement circulaire est le moment cinétique. En physique classique, le moment cinétique et le moment magnétique sont donc étroitement liés. Il en est de même en physique quantique où le spin (moment cinétique quantique) et le moment magnétique partagent d'intimes relations.

Applications potentielles[modifier | modifier le code]

Le spin de l'électron est une sorte de minuscule aimant, il interagit avec des matériaux possédant aussi une aimantation, tels les matériaux ferromagnétiques.

Un courant électrique traversant un matériau ferromagnétique va voir sa proportion d'électrons spin down et spin up se modifier. On dit que ces électrons sont polarisés en spin. Par ce fait, on arrive à inscrire une information dans le spin des électrons.

Un second matériau ferromagnétique traversé par ce courant polarisé en spin exercera une résistance différente selon la polarisation du courant et l'orientation de l'aimantation du matériau. Une mesure de la résistance électrique nous permet de lire l'information que le spin des électrons possède.

Le principe de base d'une application en spintronique est donc jeté.

L'effet magnétorésistif géant (GMR) utilisé dans les têtes de lecture des disques durs actuellement est la première application de la spintronique.

L'utilisation conjointe de matériaux aimantés et de l'électronique constitue la base des applications spintroniques de demain. Le phénomène clé à maîtriser reste le contrôle précis de l'orientation de l'aimantation des matériaux ferromagnétiques. Or celui-ci était impossible à contrôler autrement que par l'application d'un champ magnétique, technologiquement difficile à intégrer dans la fabrication des circuits électroniques.

Or il a été découvert expérimentalement en 1999 (sur la base de prédictions théoriques publiées en 1996) qu'un courant polarisé en spin était capable d'agir sur l'orientation de l'aimantation d'un ferromagnétique simplement par le transfert de moment cinétique entre les électrons constituant le courant et les électrons responsables de l'aimantation dans le matériau ferromagnétique (CIMS, current-induced magnetization switching). L'inconvénient majeur de cette découverte est que ce phénomène se produit lorsque des densités de courant de l'ordre de 107 A/cm² sont atteintes. Pour éviter que le circuit se comporte comme un fusible à de telles densités, des structures nanométriques sont donc indispensables.

Qubits[modifier | modifier le code]

L'utilisation conventionnelle de l'état d'un électron dans un semi-conducteur est un système purement binaire, puisque l'état représente seulement 1 ou 0, et 8 bits peuvent représenter tous les nombres entiers entre 0 et 255, un nombre à la fois. Les bits en spintronique, nommés qubits, exploitent les états spin up et spin down comme une superposition de 0 ou 1, et 8 qubits couplés possèdent la propriété de représenter tous les nombres entiers entre 0 et 255 de façon simultanée.

Notes et références[modifier | modifier le code]

  1. Des ondes de spin pour l’électronique, Dossier Pour la Science n°79, avril-juin 2013

Voir aussi[modifier | modifier le code]

Articles connexes[modifier | modifier le code]

Liens externes[modifier | modifier le code]