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Spintronique : les promesses d'une électronique nouvelle

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Des chercheurs américains viennent de démontrer la faisabilité de composants faisant appel à la spintronique, aux matériaux organiques et à l'effet tunnel... Un peu compliqué, certes, mais très prometteur pour d'innombrables applications, en informatique ou ailleurs.

C'était en 1988, à Orsay, au sud de Paris. Albert Fert travaillait sur les propriétés du spin de l'électron, une propriété magnétique que l'on assimile à celle d'un petit aimant qui pourrait prendre deux positions. Il découvre un phénomène très curieux : une énorme augmentation de résistance électrique dans des couches ultrafines de matériaux ferromagnétiques soumises à un champ magnétique, même faible. Baptisée magnétorésistance géante, cette propriété a pu rapidement être exploitée par l'industrie informatique : c'est grâce à elle que fonctionnent les têtes de lecture des disques durs. Avec ces têtes dites magnétorésistives, leur capacité s'est mise à grimper en flèche. L'électronique de spin, ou spintronique, à peine née, avait conquis ses lettres de noblesse.

Depuis, dans les laboratoires du monde entier, on s'acharne à lui trouver d'autres applications. Car elle est prometteuse, la spintronique ! Surtout parce qu'elle permet d'imaginer des circuits à l'échelle de quelques atomes. Alors que l'électronique traditionnelle utilise la charge électrique de l'électron, la spintronique exploite cette sorte d'aimantation de l'électron que l'on appelle le spin et qui est une propriété quantique. Quand on les promène dans un circuit classique, les électrons choisissent leur spin au hasard, si bien que la moitié environ l'ont positif (+ 1/2) et l'autre moitié négatif (-1/2). Comme l'ont démontré Albert Fert et tous les scientifiques qui se sont engouffrés dans cette voie, il est possible, en utilisant des matériaux aux propriétés magnétiques différentes, de modifier le spin des électrons et de les contrôler grâce à lui. De quoi leur faire transporter et conserver de l'information.

Réservé au nanomonde

Mais cette action sur le spin ne peut se faire qu'à des échelles très petites, là où se manifestent les effets quantiques, dans des nanostructures dont les dimensions sont de l'ordre du nanomètre (millionième de millimètre). Ce fut un handicap pour la spintronique dans les années 1980 et 1990, mais c'est aujourd'hui un avantage : cette nouvelle ingénierie devient possible avec les progrès en nanotechnologies et les scientifiques y voient la promesse de circuits encore plus petits, avec des transistors composés de quelques molécules seulement.

Dans une couche de silicium (en bleu), les scientifique ont creusé un pore obturé des deux côtés par des électrodes en cobalt et en nickel (en gris). Dans le minuscule espace d'environ 40 nanomètres ménagé entre les deux, des composés organiques s'organisent d'eux-mêmes en une couche mono-moléculaire (petits ressorts blancs sur l'image). Par effet tunnel, le courant les traverse et on peut ainsi contrôler l'aimantation des électrons, ou spin. Crédit : W. Wang, C.A. Richter / NIST

C'est ce qu'ont réussi à faire W. Wang et C.A. Richter, du NIST (National Institute of Standards and Technology, un groupement fédéral de laboratoires). Sur un support de silicium, ils ont creusé un petit trou, bouché de part et d'autre par deux électrodes, l'une de cobalt, l'autre de nickel. Entre les deux, dans l'épaisseur du silicium, les chercheurs ont pu loger une couche de molécules organiques (c'est-à-dire composées de carbone, d'hydrogène et d'oxygène). C'est là la vraie nouveauté car, comme dans les circuits électroniques, les scientifiques utilisaient jusque là les matériaux inorganiques habituels, silicium, métaux... Or, les molécules organiques conservent plus facilement le spin des électrons qui s'y trouvent et, de plus, peuvent s'auto-assembler en structures minuscules.

Exploiter l'effet tunnel

Wang et Richter ont pu démontrer que leurs molécules organiques s'étaient rassemblées en une couche mono-moléculaire et ils ont déclenché à travers elle un courant, avec conservation du spin. Ces molécules organiques étant naturellement résistantes à l'électricité, ce passage d'électrons est permis par un phénomène quantique appelé effet tunnel - on parle de courant tunnel. Célébrité du petit monde quantique, l'effet tunnel permet à des particules de traverser des barrières normalement infranchissables et ennuie d'ailleurs beaucoup l'industrie électronique car il limite l'épaisseur des gravures de composants dans les puces : quand les structures deviennent trop petites, le courant fuit de tous les côtés. Mais ici, le courant tunnel, au lieu d'être une gêne, devient exploitable.

Avec leurs molécules organiques, Wang et Richter ont créé la première brique d'un nanocomposant, véritable changement d'échelle pour l'électronique. A coup sûr une affaire à suivre...

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