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Spintronique : les électrons ne tournent pas rond dans les nanotubes

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Les nanotubes de carbone sont des feuillets de graphène enroulés possédant de remarquables propriétés conductrices, considérés comme un matériau de choix pour l'avenir de la spintronique. De récentes expériences remettent en cause la façon dont ils seraient utilisables dans le cadre de cette nouvelle électronique.

Figure 2. En violet le mouvement de rotation d'un électron dans la paroi d'un nanotube, en vert le spin d'un électron. Crédit : Nature

Le fonctionnement des composants de l'électronique classique, comme les diodes et les transistors, repose sur une manipulation des courants d'électrons à partir de leur charge. Depuis quelques années, une nouvelle électronique est en train d'émerger reposant sur le contrôle du spin des électrons : la spintronique.

Plusieurs objectifs sont visés avec la spintronique. En premier lieu, elle permettrait de réaliser des composants électroniques de taille nanométrique, aidant à réaliser quelques rêves de la nanotechnologie. On espère aussi beaucoup de la spintronique pour la réalisation d'un instrument encore mythique : l'ordinateur quantique surpassant les ordinateurs classiques.

Dans le domaine de la nanoélectronique, les laboratoires du monde entier font la course pour maîtriser la technologie des nanotubes en carbone. Ceux-ci sont constitués d'une ou de plusieurs feuilles de graphène enroulées pour former des cylindres, dont le diamètre est nanométrique, mais dont la longueur peut être beaucoup plus grande et dépasser le centimètre.

Il existe en physique un phénomène basé sur les lois de la relativité restreinte selon laquelle un électron en orbite autour d'un noyau aura l'impression, malgré l'existence d'un champ purement électrostatique dans le référentiel propre du noyau, d'être plongé dans un champ magnétique. Comme un champ magnétique influe sur le comportement du moment cinétique de « rotation » propre de l'électron, le spin (qui peut abusivement, mais de façon efficace, être considéré comme une petite toupie chargée en rotation), l'énergie d'un électron dans un atome ne sera pas exactement celle à laquelle on pourrait s'attendre.

Ce couplage spin-orbite entre le moment cinétique orbital de l'électron et son moment cinétique propre le doteront de plusieurs niveaux d'énergies apparaissant comme une structure fine dans le spectre d'émission et d'absorption d'un électron dans l'atome.

Or ce couplage spin-orbite crée un obstacle à la réalisation de dispositifs spintroniques. Heureusement, et c'est le raisonnement que tenaient les théoriciens, ce couplage dépend de la puissance quatrième de la charge électrique positive des noyaux. Il est très important dans le cas du cuivre, qui possède un numéro atomique de 29, mais beaucoup moins pour le carbone dont le numéro atomique est de seulement six.

Pour la spintronique à base de nanotubes de carbone, tout devait donc aller comme dans le meilleur des mondes possibles. Mais voilà... Les électrons se déplaçant dans la paroi d'un nanotube peuvent avoir un mouvement de rotation autour du tube mimant une trajectoire orbitale autour d'un noyau.

Les premières estimations théoriques et expérimentales de l'effet semblaient de bon augure, indiquant le peu d'effet de cette trajectoire en hélice. Il n'en est malheureusement rien d'après les résultats obtenus par une équipe de chercheurs de l'Université Cornell et qui sont aujourd'hui publiés dans Nature.

Figure 1. En violet, le moment cinétique orbital d'un électron tournant dans un sens, dans la paroi du nanotube de carbone, en vert le spin de l'électron. Il apparaît donc 4 combinaisons possibles responsables de différents niveaux d'énergies en fonction des champs magnétique (B) et électrique. En ordonnée, le champ électrique se traduit en fait par une différence de potentiel V entre les deux extrémités du nanotube considéré. Crédit : S Ilani

La danse des électrons multiplient les niveaux d'énergies

Paul McEuen et Daniel Ralph en collaboration avec Shahal Ilani, aujourd'hui au  Weizmann Institute of Science en Israel, viennent en effet de montrer avec Ferdinand Kuemmeth, de l'Université d'Harvard, que si l'on applique une différence de potentiel aux deux extrémités d'un nanotube de carbone de 5 nm (nanomètres) de diamètre et de 500 nm de long, ainsi qu'un champ magnétique parallèlement à la longueur du nanotube, la circulation d'un courant ne sera pas la même selon l'orientation des moments cinétique et de spin des électrons dans la paroi du nanotube.

Comme on peut le voir sur la figure 2, un électron tournant en cercle dans un sens donné possède un vecteur moment cinétique orienté en fonction de ce sens, représenté en violet. Il s'agit de l'analogue d'un moment cinétique orbital autour d'un noyau pour un électron. Si l'on supposait une absence de couplage spin-orbite, le système considéré aurait les mêmes niveaux d'énergie pour le spin d'un électron (représenté en vert) que celui-ci soit orienté dans le même sens ou non que le vecteur représentant le moment cinétique orbital.

Comme le montre la figure 1, les variations de l'intensité du courant observées dans le nanotube permettent de tracer un diagramme des niveaux d'énergies des électrons. On voit clairement que ces niveaux, pour une même différence de potentiel et un même champ magnétique, diffèrent pour les 4 combinaisons entre spin et moment cinétique orbital.

En résumé, un électron dans un nanotube se comporte un peu comme dans une boîte quantique mais avec un effet de couplage spin-orbite qui rend moins simple la manipulation du spin de l'électron, par exemple pour stocker de l'information sous forme de qubits et réaliser un ordinateur quantique.

Il n'y a pas de quoi désespérer. Ces péripéties ne signifient pas que les nanotubes sont impropres à des applications de spintronique. Mais les chercheurs devront probablement s'y prendre en utilisant de nouvelles règles, qui restent à déterminer...

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