Une spintronique de petite dimension viable à température ambiante grâce au graphène

Les chercheurs du programme Graphene Flagship ont mis au point des dispositifs spintroniques à base de graphène utilisant à la fois la charge électronique et le spin à température ambiante. Avoir démontré qu'il était faisable d'utiliser le spin pour franchir des distances allant jusqu'à plusieurs micromètres ouvre de nouvelles possibilités pour l'intégration du traitement et du stockage de l'information dans une seule puce.

Dès sa création, le programme Graphene Flagship a mis en évidence le potentiel des dispositifs spintroniques fabriqués à partir de GRM. Des chercheurs de différentes universités ont montré avec succès qu'il était possible de manipuler les propriétés de spin du graphène de manière contrôlée à température ambiante. Ces résultats inspirent de nouveaux axes de développement pour les dispositifs de logique de spin et l'informatique quantique. "La miniaturisation étant l'un des principaux moteurs de l'industrie électronique, le graphène ouvre de nouvelles possibilités de compactage des opérations de logique de spin avec des éléments de mémoire magnétique sur une seule et même plateforme", note le professeur Stephan Roche, de l'Institut catalan de recherche et d'études avancées (ICREA), qui dirige le Work Package du Graphene Flagship intitulé Spintronics depuis sa création.

Les imperfections matérielles ne sont plus à blâmer

Le graphène étend le domaine de la communication spintronique inter-appareils de l'échelle du nanomètre à celle du micromètre à un faible coût énergétique. Bien que les prévisions théoriques initiales aient estimé la durée de vie des spins dans le matériau aux alentours de la microseconde, les expériences antérieures n'avaient atteint au mieux qu'une valeur de quelques nanosecondes. À l'origine, cette divergence déroutante laissait entendre que les impuretés et les défauts du matériau étaient les principaux responsables de la relaxation du spin. Les chercheurs du Flagship ont toutefois remis en question ces mécanismes de relaxation de spin de conception conventionnelle et ont proposé un certain nombre de nouveaux mécanismes, uniques au graphène.

Ils ont notamment observé que la vitesse à laquelle les spins se relaxaient dans des systèmes composés de graphène et de dichalcogénures de métaux de transition (TMDC) dépendait fortement du fait qu'ils soient orientés dans le plan du graphène ou hors de celui-ci. "Le graphène interfacé avec un TMDC pourrait servir de filtre de spin, car le transfert des informations de spin dépend de la polarisation de spin initiale des électrons injectés, ce qui permettrait ainsi de nouveaux concepts de transistors à spin de faible puissance", explique le professeur Roche.

Il est important de noter que les expériences ont été réalisées à température ambiante et qu'elles s'avèrent particulièrement importantes pour une manipulation externe des spins d'électrons dans le graphène.

Le commutateur ultime

Étant donné que le graphène peut maintenir la cohérence de spin sur des distances suffisamment longues, son intégration à un autre matériau stratifié, dans lequel le spin est maintenu pendant une durée beaucoup plus courte, est susceptible de permettre de fabriquer un dispositif de type transistor à spin à effet de champ. En combinant le graphène avec du disulfure de molybdène (MoS2) (où les spins durent plusieurs picosecondes), des chercheurs du Flagship ont démontré qu'il était possible de contrôler l'endroit où le spin pouvait se déplacer en utilisant une tension de grille. "Cette combinaison du graphène avec un autre matériau 2D mince aux propriétés spintroniques complètement différentes permet de créer un commutateur de spin", observe le professeur Roche.

Les chercheurs ont choisi le MoS2 en raison de sa faible durée de vie de spin qui résulte de son fort couplage spin-orbite. Il est important de noter que ce mélange de matériaux a fonctionné à température ambiante.

Améliorer les signaux de spin

Selon les études disponibles dans la littérature scientifique, l'écart de conductance a été identifié comme un facteur clé pouvant réduire considérablement l'injection de spin des aimants ferromagnétiques vers les semi-conducteurs.

L'équipe du Flagship a montré qu'elle pouvait grandement améliorer l'efficacité de l'injection et de la détection des électrons de spin dans le graphène, en utilisant un sandwich de matériaux stratifiés. Celui-ci était composé d'un isolant en nitrure de bore situé entre la couche de graphène et les électrodes injecteur/détecteur à spin ferromagnétique.

Dans le dispositif mis au point, la polarisation a augmenté jusqu'à 70 % avec la tension, ce qui remet en question le fait que seuls les aimants ferromagnétiques puissent avoir une influence sur la polarisation de spin. Au lieu de cela, il a été constaté que l'effet tunnel affectait la polarisation de spin dans les dispositifs en question. En particulier, le spin a franchi une distance de 10 micromètres en plus de 3 nanosecondes à température ambiante.

"L'utilisation de graphène et d'autres matériaux 2D pour faire avancer les mémoires de nouvelle génération à base de couple de spin (telles que STT-MRAM et SOT-MRAM) s'avère également extrêmement attrayante et a incité imec à prendre la tête du consortium et à travailler sur leur intégration à grande échelle dans l'environnement de fabrication", déclare Kevin Garello, responsable du Work Package et chercheur chez imec, qui dirige les recherches sur les nouveaux concepts de mémoire magnétique avancée.