Spintronique

La spintronique, aussi connue sous le nom de magnétoélectronique, est une technique émergente qui exploite la propriété quantique du spin des électrons dans l'objectif de stocker des informations.



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Chimie quantique - Physique quantique

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  • La spintronique est un nouveau type d'électronique qui exploite non seulement la charge des électrons mais également l'influence du spin sur leur mobilité.... (source : univ-lyon2)

La spintronique (ou électronique de spin), aussi connue sous le nom de magnétoélectronique, est une technique émergente qui exploite la propriété quantique du spin des électrons dans l'objectif de stocker des informations. Le spin lui-même se manifeste comme un faible état d'énergie magnétique caractérisé par "spin up" et "spin down".

Introduction

L'électronique actuelle repose sur une propriété principale 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 envisageable de dépasser sans devoir repenser le concept même de cette technique (développement d'une électronique moléculaire ou une autre technique bottom-up). La spintronique telle que développée en ce moment repose sur la technique du silicium, bien maîtrisée, mais permet d'exploiter une propriété supplémentaire de l'électron, la propriété quantique de spin. La spintronique ouvrira des portes à des applications nouvelles, sans pour tout autant modifier complètement la technique employée par les fondeurs.

Le spin

Article détaillé : Spin.

Le spin est une propriété quantique d'une particule qui, d'une manière imagée (et légèrement faussée) pourrait être décrite comme un moment cinétique dû a 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 de surprenant qu'il est responsable du moment magnétique que porte une particule possédant un spin. D'une manière toujours imagée, une particule possédant un spin serait un minuscule aimant.

Pour mieux se représenter cela, par ressemblance 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 par conséquent 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

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 sert à lire l'information que le spin des électrons possède.

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

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

L'utilisation conjointe de matériaux aimantés et de l'électronique forme 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 ce dernier était impossible à contrôler autrement que par l'application d'un champ magnétique, technologiquement complexe 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 quand 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 par conséquent indispensables.

Qubits

L'utilisation conventionnelle de l'état d'un électron dans un semi-conducteur est un dispositif purement binaire, puisque l'état représente uniquement 1 ou 0, et 8 bits peuvent représenter l'ensemble des nombres entiers entre 0 et 255, un nombre à la fois. Les bits en spintronique, appelés 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 l'ensemble des nombres entiers entre 0 et 255 de façon simultanée.

Voir aussi

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