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Une première en spintronique : un signal transféré par ondes de spin

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Ces dernières années, de plus en plus de laboratoires de par le monde s'intéressent à la spintronique. En manipulant le spin plutôt que la charge des électrons, les chercheurs espèrent repousser les limites de l'électronique. Dans cette voie, des physiciens japonais viennent pour la première fois de transmettre un signal électrique avec des ondes de spin.

Une onde spin fait basculer les spins des particules lorsqu'elle se propage dans un solide. C'est ce qui est représenté sur ce shéma. Les flèchent décrivent en gros l'orientation dans l'espace des spins des éléctrons dans l'isolant magnétique de l'expérience japonaise. Crédit : Y. Kajiwara, K. Harii, S. Takahashi, J. Ohe, K. Uchida, M. Mizuguchi, H. Umezawa, H. Kawai, K. Ando, K. Takanashi, S. Maekawa & E. Saitoh-Nature

C'est grâce à sa découverte d'une généralisation relativiste de l'équation de Schrödinger d'un électron à la fin des années 1920 que Paul Dirac a pu expliquer l'origine du moment cinétique intrinsèque de l'électron. Ce dernier se comporte en effet comme s'il était une toupie tournant sur elle-même à une vitesse vertigineuse. La quantité décrivant ce moment cinétique a été appelée le spin (de l'anglais to spin, tourner).

On peut représenter les électrons doués de spins alignés sur une droite comme une série de flèches perpendiculaires à cette droite. Sous l'action d'un champ magnétique, ces flèches peuvent basculer et, si l'on s'y prend bien, elles peuvent se mettre à tourner à la façon de l'axe d'une toupie effectuant un mouvement de précession. On peut alors imaginer sur cette droite une perturbation qui se propage comme une onde en changeant à son passage l'état d'orientation et de mouvement des flèches, c'est-à-dire des spins des électrons.

Ce schéma illustre peu ou prou la propagation de ce que l'on appelle une onde de spin au sein d'un solide, à ceci près que la situation n'est plus monodimensionnelle et qu'il ne faut jamais oublier que l'on a à faire à un monde quantique...

En effet, ces images claires ne sont que des analogies et l'on ne saurait considérer les électrons comme de véritables petites boules en rotation sans rencontrer des contradictions avec l'expérience. Il faudrait, par exemple, que ces boules tournent sur elles-mêmes plus vite que la lumière pour expliquer la valeur du spin mesuré.

Si on plonge un barreau parcouru d'un courant électrique dans sa longueur au sein d'un champ magnétique perpendiculaire à ce courant, des charges de signes opposés apparaissent sur les côtés du barreau. Il en résulte un champ électrique dans ce dernier, perpendiculaire à la fois au courant et au champ magnétique. C'est ce qu'on appelle l’effet Hall.

Un analogue a été prédit par les physiciens russes M. I. Dyakonov et V. I. Perel en 1971, dans lequel apparaissent non plus des charges de signes opposés mais des particules avec des spins orientés en sens opposés. Il s'agit de l'effet Hall de spin (Spin Hall Effect ou SHE en anglais). On a produit et observé cet effet en 2004 en utilisant non pas un champ magnétique mais un champ électrique.

Aujourd'hui, une équipe de chercheurs japonais est allé plus loin. En utilisant un isolant magnétique de formule Y3Fe5O12  formant une petite plaque épaisse de 1,3 micromètre et large de 1 mm, prise en sandwich, au niveau des extrémités, entre des électrodes de platine de 15 nanomètres d'épaisseur, ils sont parvenus à transmettre un véritable signal électrique au moyen d'ondes de spin.

Un effet Hall de spin a d'abord été produit avec accumulation de particules de spins opposés au niveau des deux électrodes de platine. Ensuite, un basculement de spin au niveau d'une des électrodes a été transmis à l'autre. Il ne s'agit pas d'un transfert de spin, on n'est pas en présence d'un courant de spin entre les deux électrodes, mais il y a bel et bien eu transfert d'un signal.

La performance est intéressante car elle pourrait conduire à des dispositifs plus petits et moins gourmands en énergie dans le domaine de l'électronique de spin, la spintronique. En effet, le signal s'est transmis sur une longueur de 1 mm avec très peu de perte. Les chercheurs ont publié leur travaux dans un article récent de Nature.