électronique de spin. 1 PRÉSENTATION électronique de spin ou spintronique, domaine qui utilise le spin des électrons de conduction comme un degré de liberté supplémentaire pour générer des fonctionnalités nouvelles dans les composants électroniques. L'électronique de spin, également appelée spintronique, manipule des courants électriques avec des aimants de taille nanométrique et, inversement, utilise des courants électriques pour contrôler ces aimants. Née en 1988 avec l'observation de la magnétorésistance géante par Albert Fert et Peter Grünberg, colauréats du prix Nobel de physique 2007, l'électronique de spin a notamment renouvelé la conception des têtes de lecture des disques durs des ordinateurs. 2 LES BASES DE L'ÉLECTRONIQUE DE SPIN 2.1 Le spin de l'électron Les électrons sont porteurs d'une charge électrique négative. Dans chaque atome, ils entourent le noyau qui est lui chargé positivement. Dans un métal, certains électrons s'échappent de l'attraction atomique et se déplacent alors librement. Un courant électrique n'est rien d'autre qu'un déplacement collectif de ces électrons libres. Depuis l'invention du transistor en 1948, les composants électroniques manipulent ces courants électriques, à l'image de vannes et de compresseurs commandant le flux d'eau dans les canalisations. En plus de sa charge électrique, l'électron se comporte comme un aimant, avec un pôle nord et un pôle sud. Représenté par une flèche qui relie le pôle sud au pôle nord, cet aimant, ou moment magnétique, porte le nom de « spin « de l'électron. À l'origine, cette appellation provient de la manière dont on se représentait le phénomène au moment de la découverte du spin de l'électron. On sait depuis le début du XIXe siècle que la rotation d'une charge électrique peut être assimilée à une boucle de courant électrique qui a les propriétés magnétiques d'un petit aimant. Ainsi, l'électron a été imagé comme une petite sphère chargée, en rotation sur elle-même ( spin en anglais) dans un sens (spin vers le haut) ou dans l'autre (spin vers le bas). Près d'un siècle après la découverte du spin, les physiciens savent maintenant que cette vision est fausse. Il n'est d'ailleurs pas possible de donner une image « classique « du spin. C'est une grandeur purement « quantique «, du nom de la théorie qui décrit les processus physiques à l'échelle inférieure au nanomètre. Placé dans un champ magnétique ou dans un matériau magnétique, le spin de l'électron peut prendre deux orientations. Il est représenté traditionnellement par une flèche qui pointe soit vers le haut ( ) pour signifier qu'il est aligné dans le sens du champ magnétique, soit vers le bas ( ) s'il est aligné dans le sens opposé au champ. C'est à la fin des années 1980 que les progrès de la technologie permettent d'intégrer ce nouveau paramètre dans la conception des composants électroniques, donnant ainsi naissance à une nouvelle discipline : l'électronique de spin. 2.2 La polarisation de spins L'influence du spin sur la mobilité des électrons est connue bien avant la découverte de la magnétorésistance géante. Dans un matériau ferromagnétique, la présence d'une aimantation produit un champ magnétique interne. Les électrons du métal, et en particulier ceux qui participent à la conduction électrique, peuvent avoir leur spin aligné parallèlement (spin et un courant de spin ) ou antiparallèlement (spin . Du fait de leur orientation différente, par rapport au champ magnétique, les électrons de spin prix Nobel de physique britannique, Neville Mott. Dans un métal ferromagnétique, les deux types d'électrons (spin ) à ce champ local. Le courant électrique est alors porté par deux courants différents, un courant de spin se comportent différemment des électrons de spin et spin pour le transport du courant électrique. Cela est suggéré dès 1936 par le ) diffèrent fortement au niveau de leurs mobilités électriques, c'est-à-dire leurs facilités à se déplacer dans le métal. Cette asymétrie est due à l'organisation de l'ensemble de la structure électronique du métal, mais aussi aux défauts et impuretés qu'il contient. Elle est ensuite démontrée expérimentalement peu avant 1970 par Albert Fert, aujourd'hui prix Nobel de physique. Dans un métal ferromagnétique comme le fer ou le cobalt, l'intensité des deux courants d'électrons (de spin et de spin ) peut différer de plus d'un facteur dix. Les asymétries les plus fortes sont obtenues en dopant le métal avec des impuretés qui entravent le déplacement des électrons de manières très inégales en fonction de l'orientation de leur spin. Certaines impuretés ont un effet de résistance important sur l'une des directions de spin, alors qu'elles n'affectent en rien le mouvement des électrons porteurs de l'autre direction de spin. Du fait de cette asymétrie, le courant d'électron contient davantage d'électrons d'un des deux types de spins : il est dit « polarisé en spin «. À la sortie d'une couche magnétique, il garde sa polarisation sur une certaine distance. Ainsi, une fine couche magnétique, placée sur le trajet d'un courant d'électrons, filtre les spins : elle laisse passer principalement un seul type de porteurs, par exemple ceux dont le spin est parallèle à son aimantation, et bloque majoritairement les autres. Autrement dit, on peut polariser en spin un courant en interposant sur son passage une fine couche magnétique. 2.3 La magnétorésistance géante L'électronique de spin est née en 1988, simultanément à Orsay en région parisienne et à Jülich en Allemagne, avec la découverte d'un phénomène appelé « magnétorésistance géante «, puisqu'il s'agit d'une résistance électrique qui varie avec l'intensité du champ magnétique appliqué, et que l'amplitude de la variation est très importante. Considérons un système formé de deux couches magnétiques (comme le cobalt, le fer ou le nickel) séparées par une fine couche métallique (comme le chrome ou le cuivre par exemple), traversé par un courant. À la sortie de la première couche magnétique, le courant est polarisé en spin, c'est-à-dire que les électrons ont majoritairement leurs spins alignés dans une même direction (les électrons de spins opposés ayant été arrêtés dans la couche magnétique). Si la deuxième couche qu'ils rencontrent présente son aimantation orientée dans le même sens que la première, les électrons traverseront cette seconde couche. En revanche, si l'aimantation de la seconde couche est en sens opposé à celle de la première, on a une configuration dite antiparallèle, et les électrons sont arrêtés par la seconde couche. Un tel système arrête en fait tous les électrons. En effet, dans une configuration antiparallèle, l'orientation du spin d'un électron est forcément en sens opposé à celle de l'une des deux couches. Si ce n'est pas la première couche qui bloque l'électron, la seconde le bloquera. La résistance électrique varie donc fortement d'une configuration (parallèle ou antiparallèle) à l'autre. La structure décrite ci-dessus est une « vanne de spin « ; elle peut être utilisée comme un détecteur de champ magnétique. Il suffit d'utiliser deux couches magnétiques présentant des comportements différents. La première, appelée « couche dure «, est insensible à un champ magnétique externe ; au contraire, la seconde, dite « couche douche «, voit son aimantation tourner en fonction de l'intensité du champ magnétique extérieur. Ainsi, en fonction de son orientation, un champ magnétique externe va imposer au système une configuration parallèle ou antiparallèle. Autrement dit, l'alignement relatif des deux filtres à spin et donc la valeur de la résistance électrique du capteur sont alors sensibles à l'intensité du champ que l'on veut mesurer. Cela a de nombreuses applications en informatique, dans le domaine du stockage d'informations. En effet, dans un disque dur, l'information binaire est stockée magnétiquement : elle est codée grâce à l'aimantation de petits domaines (les bits) inscrits dans un film magnétique. La lecture de cette information s'effectue à l'aide d'un dispositif indépendant, la tête de lecture, qui utilise le phénomène de magnétorésistance géante. L'orientation du champ d'un bit magnétique sur le disque crée un champ magnétique qui agit sur la multicouche de la tête et modifie fortement sa résistance électrique. Il a fallu à peine dix ans pour que cette méthode s'impose dans toutes les têtes de lecture des disques durs. Beaucoup plus sensibles aux champs magnétiques, ces nouvelles têtes de lecture ont permis de réduire fortement la dimension des bits magnétiques, conduisant à une augmentation vertigineuse de la densité d'informations stockées sur un disque dur. 2.4 La magnétorésistance tunnel Lorsque les couches magnétiques ne sont plus séparées par une couche conductrice mais par un isolant, c'est-à-dire un matériau qui ne conduit pas le courant électrique, le transport des électrons devient un phénomène purement quantique appelé « effet tunnel «. Dans une approche classique, l'isolant constitue une barrière infranchissable pour les électrons. Mais le caractère ondulatoire de l'électron que la mécanique quantique a révélé, lui confère une certaine probabilité, certes faible mais néanmoins non nulle, de traverser la barrière. La magnétorésistance par effet tunnel est observée en 1975 à très basse température par Michel Jullière, de l'Institut national des sciences appliquées de Rennes. L'intérêt pour cet effet est relancé en 1995 lorsqu'une équipe du Massachusetts Institute of Technology (MIT) de Cambridge (États-Unis) observe la magnétorésistance tunnel à température ordinaire de manière reproductible. Une jonction tunnel magnétique est composée de deux couches d'un conducteur ferromagnétique (les électrodes) séparées par une très fine couche d'un isolant (la barrière), par exemple l'alumine de formule chimique Al 2O3 (utilisée jusqu'en 2003) ou l'oxyde de magnésium MgO (son successeur, plus performant). La probabilité de franchissement tunnel de l'isolant et donc la résistance de la jonction tunnel dépendent de l'orientation relative des aimantations des électrodes. La magnétorésistance tunnel est ainsi la variation relative de la résistance entre les deux configurations : parallèle et antiparallèle. Alliant les propriétés de transport électrique dépendant du spin à la fonction mémoire d'un petit domaine magnétique, les jonctions tunnel magnétiques ont des applications à grande échelle dans le domaine du stockage de l'information. Elles permettent, en particulier, de fabriquer une nouvelle génération de mémoires à accès aléatoire (RAM -- Random Access Memory), appelées RAM magnétiques ou MRAM (Magnetic Random Access Memory) en anglais. Les MRAM sont aussi rapides que les autres mémoires vives des ordinateurs. De plus, elles présentent l'avantage d'être non volatiles, c'est-à-dire qu'elles gardent la mémoire de l'information stockée de manière permanente, même lorsque l'alimentation électrique est coupée. Cette propriété diminue considérablement la consommation énergétique, en particulier pour l'électronique embarquée que ce soit dans les téléphones portables ou dans les satellites. 3 LES APPLICATIONS DE L'ÉLECTRONIQUE DE SPIN 3.1 Les mémoires magnétiques Pour réaliser des mémoires magnétiques, on dispose côte à côte, de manière très dense, un grand nombre de jonctions tunnels magnétiques formant une matrice lignes-colonnes. Chaque « cellule mémoire « se situe à l'intersection entre une ligne de contact électrique et une colonne. Lignes et colonnes de la matrice sont en cuivre ou en aluminium pour transporter facilement le courant électrique. Dans un composant ainsi confectionné, c'est-à-dire une mémoire à accès aléatoire, la lecture de la cellule située à l'intersection de la colonne « n « avec la ligne « m «, se fait en mesurant l'intensité du courant électrique, lorsque l'on applique une différence de potentiel entre la m-ième ligne et la n-ième colonne. Si les aimantations des deux couches sont dans un état antiparallèle, aucun électron ne passera : le dispositif lira un « 0 «. Si elles sont parallèles, les électrons ayant un spin dans le même sens passeront : le dispositif lira « 1 «. Pour écrire l'information, l'aimantation de la première couche est retournée dans le sens voulu par le champ magnétique d'un courant passant au-dessus et en dessous de la cellule. Des mémoires magnétiques, basées sur ce principe général, sont commercialisées depuis 2006, notamment par la société américaine Freescale. 3.2 Le transfert de spin La découverte de la magnétorésistance géante a permis de concevoir des composants basés sur la manipulation d'un courant électrique par des couches minces magnétiques dont l'orientation est contrôlée par un champ magnétique. En 2003, la possibilité pour un courant électrique polarisé en spin de retourner l'aimantation d'un aimant, c'est-à-dire l'effet inverse, est mise en évidence expérimentalement. Si cet effet, appelé « transfert de spin «, est observé quinze ans après la découverte de la magnétorésistance géante, il a été prédit théoriquement dès 1995 simultanément par John Slonczewski et Luc Berger. Lorsqu'un électron traverse une couche magnétique, son spin est soumis à un couple qui tend à aligner le spin de l'électron avec l'aimantation de la couche. Par réciprocité, l'électron exerce lui aussi un couple sur la couche magnétique. Cela peut être comparé à la pomme de Newton qui, soumise à l'attraction terrestre, exerce par réciprocité une force sur la Terre. Avec la pomme, comme avec l'électron, cette force est ridiculement faible. Mais si le nombre de pommes est toujours limité, avec un courant électrique le nombre d'électrons qui traversent la couche peut être colossal : près de 16 000 000 000 000 000 000 électrons par seconde, pour un courant de 1 ampère. Ainsi avec un courant de plus forte intensité, l'effet cumulé des micro-couples finit par avoir gain de cause : c'est la couche qui tourne et s'aligne avec les spins des électrons. Autrement dit, le courant polarisé induit l'équivalent d'un champ magnétique sur l'aimantation de la couche traversée. C'est l'action de ce champ qui retourne l'aimantation. Cet effet est mis à profit par les industriels pour écrire les informations dans les mémoires MRAM. Puisque l'on peut orienter l'aimantation des point-mémoires avec un courant électrique, cela permet de s'affranchir d'un champ magnétique. En effet, l'utilisation d'un champ magnétique pour écrire des mémoires conduit à des erreurs d'écriture, induites par un effet de fuite du champ magnétique sur les mémoires voisines. Avec un courant moins intense, le retournement n'est pas atteint. Toutefois, dans certaines conditions l'aimantation de la couche traversée se met à tourner autour du champ généré par le courant polarisé. Il se produit alors un phénomène de précession similaire à la précession des spins des atomes (comme celui de l'hydrogène) en résonance magnétique nucléaire (RMN) : l'axe de l'aimantation de la couche tourne alors comme une toupie à plusieurs milliards de tours par seconde, soit quelques gigahertz (GHz) -- ce qui correspond aux fréquences utilisées pour les télécommunications modernes et à venir. Bien maîtrisée, cette rotation devient un générateur d'ondes hyperfréquences de très petite taille, dont on peut facilement contrôler la fréquence de rotation en agissant sur l'intensité du courant. Cette technologie est particulièrement adaptée aux téléphones portables et à tous les systèmes qui demandent de passer rapidement d'une fréquence à une autre. Elle permet, avec un unique appareil, d'écouter la radio, d'aller sur Internet, de regarder la télévision et de téléphoner. 3.3 Les semi-conducteurs magnétiques Après les métaux puis les isolants, l'électronique de spin s'est dirigée vers les semi-conducteurs. Il s'agit de tirer profit simultanément des avantages des métaux magnétiques pour manipuler le spin, et de ceux des semi-conducteurs -- lesquels ont largement fait leurs preuves dans l'électronique classique pour contrôler les courants électriques. Les matériaux magnétiques offrent la capacité de mémoriser l'information de manière permanente et réinscriptible indéfiniment, ainsi que de manipuler des aimantations ou parfois directement les spins. De leur côté, les semi-conducteurs apportent leur potentiel dans la manipulation des courants électriques, le couplage avec l'optique, etc. C'est effectivement l'un des grands défis de la spintronique que de parvenir à combiner électronique, photonique et magnétisme dans des semi-conducteurs. L'objectif est de s'affranchir de la diminution importante de l'intensité des signaux dans les composants électro-optiques actuellement nécessaires à l'interface entre des dispositifs de natures différentes, et de diminuer ainsi considérablement le temps de transfert de données. Dès 1990, un premier concept de transistor de spin est proposé par deux chercheurs américains, Supriyo Datta et Biswajit Das. Dans un transistor, un courant circule dans un canal semi-conducteur entre une « source « qui injecte le courant et un « drain « qui le collecte. Dans le transistor de spin, les deux électrodes sont magnétiques. Le courant polarisé en spin qui passe de la source au drain est modulé par l'application d'une tension électrique sur le canal entre la source et le drain. Une modification de l'orientation magnétique de la source ou du drain change les propriétés du transistor. Cela permet d'imaginer des composants reprogrammables à volonté par modification de configuration d'éléments magnétiques. D'autres composants ont ensuite été proposés, comme une diode électroluminescente magnétique (spin-LED), un interrupteur de spin ou encore un filtre à spin. Les progrès ont été assez lents dans le domaine des composants hybrides magnétiques/semi-conducteurs. Si les raisons en sont multiples, elles proviennent de la différence de nature entre les deux types de matériaux. Ainsi, la diffusion d'un atome de métal à l'intérieur du semi-conducteur affecte considérablement ses propriétés électriques. Par ailleurs, l'électron qui porte à la fois la charge électrique et le spin a tendance à perdre sa polarisation en traversant une interface ferromagnétique/semi-conducteur. Il est alors difficile d'injecter efficacement des spins d'un métal vers un semi-conducteur. Pour contourner l'obstacle, de nombreuses équipes élaborent des matériaux qui possèdent les deux propriétés : les semiconducteurs ferromagnétiques. L'arséniure de gallium (GaAs), par exemple, devient ferromagnétique au-dessous de 200 K (-73 °C) quand il est dopé avec du manganèse. Cependant, si l'on veut envisager sérieusement des applications, il est indispensable de trouver d'autres composés semi-conducteurs ferromagnétiques pouvant fonctionner à des températures nettement au-dessus de la température ambiante. 3.4 Vers un ordinateur quantique Et si le spin supplantait la charge électrique ? Un ordinateur qui n'utiliserait que des courants de spin, sans déplacer aucune charge supprimerait les problèmes d'effet Joule qui échauffent les circuits. Le calcul quantique offre aussi un fabuleux potentiel à l'électronique de spin. Dans un ordinateur quantique, l'information peut être simultanément sur plusieurs états différents. Le spin des électrons est d'ailleurs une des nombreuses pistes étudiées actuellement pour servir de vecteur à cette information. Qu'il soit classique ou quantique, un ordinateur ne fait que manipuler des systèmes physiques à deux états distincts représentés par les deux valeurs logiques « 0 « et « 1 « (ou bits). Alors que le bit informatique classique est égal soit à « 0 «, soit à « 1 «, le bit quantique, abrégé qbit ou qubit, peut se trouver simultanément dans les deux états. De la même façon, alors qu'un système informatique classique à trois bits ne peut se mettre que dans l'un des huit états disponibles (000, 001, 010,... 111), un système à trois qbits peut occuper les huit états en même temps, du moins tant que personne ne cherche à savoir dans quel état il se trouve. La force du calcul quantique réside dans le fait que le système travaille simultanément sur tous les états accessibles. Là où l'ordinateur classique va répéter huit fois l'opération ou faire huit calculs l'un après l'autre, l'ordinateur quantique réalise simultanément la même opération sur huit nombres distincts. Le gain de temps et de mémoire que peut apporter cette nouvelle technologie est considérable. Ainsi le spin, qui permet de combiner le calcul quantique et le transport d'information sans dissipation électrique, est l'une des pistes principales (l'autre piste étant l'ordinateur biochimique) de la prochaine révolution informatique. 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