Posté par Redbran le Lundi 23/03/2020 à 14:00
Magnétorésistance unidirectionnelle et germanium

Des chercheurs de l'lnstitut de recherche interdisciplinaire de Grenoble (lRlG) proposent une nouvelle théorie pour expliquer leurs résultats dans laquelle la magnétorésistance unidirectionnelle trouverait son origine dans le gaz bidimensionnel d’électrons où le spin de ces électrons s’aligne perpendiculairement à leur déplacement. Le phénomène permettrait à l'UMR d’être utilisée dans des dispositifs spintroniques tels que les transistors à spin.

La magnétorésistance, une résistance induite par un champ magnétique, est souvent associée aux matériaux magnétiques. Cet effet a été mis en pratique en géophysique, par exemple, pour la réalisation de capteurs. Les recherches en magnétorésistance ont également de nombreuses applications en informatique et dans les télécommunications. Mais c'est surtout avec la découverte de la magnétorésistance géante que les applications les plus importantes sont arrivées, notamment pour les têtes de lecture des disques d’ordinateurs. Récemment, un nouvel effet a été identifié et appelé magnétorésistance unidirectionnelle (UMR). Cet effet existe dans les matériaux non magnétiques comme le germanium, un matériau utilisé usuellement en micro-électronique.

L'UMR a été observée pour la première fois en 2017 sur des systèmes qui n’étaient pas intrinsèquement magnétiques. Son effet se caractérise par une augmentation ou une diminution de la résistance en fonction de l’intensité et du sens du courant électrique et du champ magnétique appliqués. Il en résulte un alignement des spins des électrons dans une direction perpendiculaire à leur moment.
Le germanium (Ge) dans lequel a été réalisé le premier transistor est couramment utilisé en micro-électronique avec le silicium. Dans cette nouvelle étude, les chercheurs de notre institut [collaboration], mettent en évidence l’existence de l’UMR dans le Ge. Certes, cet effet avait déjà été observé sur deux autres matériaux non magnétiques d’usage plutôt rares et exotiques, mais il est 100 fois plus intense avec le germanium !

Pour mesurer l'UMR dans le germanium, les chercheurs ont fait croître une couche de Ge suivant une direction cristalline particulière, sur un substrat de silicium. Afin d’étudier la magnétorésistance dans le Ge, ils ont fait passer un courant à travers la couche de germanium et appliqué un champ magnétique externe. Ils ont alors mesuré la résistance et constaté qu'elle dépendait du courant et du champ ; l'UMR étant maximale lorsque le courant est perpendiculaire au champ magnétique.

Les chercheurs proposent une nouvelle théorie pour expliquer leurs résultats dans laquelle l’UMR trouverait son origine dans le gaz bidimensionnel d’électrons qui se forme à la surface du matériau. Le spin de ces électrons s’aligne perpendiculairement à leur déplacement. Le phénomène, modélisé de façon satisfaisante en collaboration avec l’Unité CNRS-Thales, pourrait permettre à l'UMR d’être utilisée dans des dispositifs spintroniques tels que les transistors à spin.

Notes:

Collaboration avec l’Unité mixte de Physique CNRS-Thales de Palaiseau et le L-NESS (Laboratory for Nanostructure Epitaxy and Spintronics on Silicon) de Milan.

À la surface d’un semi-conducteur ou à l’interface entre deux semi-conducteurs dopés (i.e. auxquels des impuretés sont ajoutées en petites quantités afin de modifier leurs propriétés de conductivité) il peut se former un gaz bidimensionnel d’électrons à cause du paysage électrostatique particulier. Le confinement est tel que l’on peut considérer que ce gaz est strictement bidimensionnel.


Références:
Guillet T, Zucchetti C, Barbedienne Q, Marty A, Isella G, Cagnon L, Vergnaud C, Jaffrès H, Reyren N, George JM, Fert A, et Jamet M. Observation of large unidirectional Rashba magnetoresistance in Ge(111). Physical Review Letters, 2020
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