Cartographie de la conversion de la charge de spin dans un gaz d'électrons bidimensionnel

Dans cette étude, des chercheurs de l'Irig démontrent un très grand effet de conversion spin-charge dans un 2DEG généré à la surface de titanate de strontium via le dépôt par pulvérisation d'une couche mince d'aluminium à température ambiante.

L'électronique classique repose sur une propriété essentielle d'une particule élémentaire, la charge électrique de l'électron. La spintronique quant à elle permet d'exploiter une propriété supplémentaire de l'électron, le spin. Alors que la spintronique a traditionnellement compté sur les métaux ferromagnétiques comme générateurs et détecteurs de spin, la spin-orbitronique exploite la conversion du courant de spin en un courant de charge (interconversion spin-charge) rendue possible par le couplage spin-orbite dans les systèmes non magnétiques. Ceci offre de nouvelles possibilités pour un nouveau type de transistor qui repose sur l'écriture d'informations magnétiques par couplage magnétoélectrique, et leur lecture par conversion spin-charge.

Le gaz d'électrons bidimensionnel (2DEG) créé par confinement à l'interface entre deux oxydes isolants est prometteur pour la manipulation des courants de spin car son efficacité de conversion spin-charge est importante. Dans une nouvelle étude, des chercheurs de l'Irig démontrent un très grand effet de conversion spin-charge dans un 2DEG généré à la surface de titanate de strontium SrTiO3 (STO) via le dépôt par pulvérisation d'une couche mince d'aluminium à température ambiante. Ils cartographient la dépendance de cet effet à la structure de la bande d'énergie. Enfin, ils montrent que le processus de conversion est amplifié par un effet lié à l'interface entre les deux oxydes effet accru grâce au mélange orbital et à l'anti-croisement des bandes d'énergie dû à un ordre topologiquement non trivial.

Le couplage spin-orbite

Le couplage spin-orbite est un effet relativiste qui couple le spin et le moment orbital de l'électron, et permet de manipuler le spin de l'électron. Son utilisation permet de révolutionner la façon dont fonctionnent les dispositifs spintroniques ou les opérations logiques basées sur le spin.

Résultats

Ces résultats réduisent également la nécessité d'une croissance cristalline de haute qualité de la couche d'oxyde d'aluminate de lanthane (LAO) habituellement nécessaire pour la formation du 2DEG à la surface de la STO. De plus, en raison du caractère multi-orbital du STO, une tension de grille permet d'accorder la conversion, tant en signe qu'en amplitude. Par rapport aux résultats précédemment obtenus par ces chercheurs, une tension de grille nulle permet d'obtenir une grande conversion et les taux de conversion sont multipliés par 4, de 6 nm à environ 25 nm. Ces résultats indiquent que les oxydes 2DEG sont de solides candidats pour la lecture d'informations basées sur le spin dans les nouvelles conceptions de mémoires et de transistors, et mettent l'accent sur la promesse de la topologie comme nouvel ingrédient pour élargir la portée des oxydes complexes en spintronique.

Références publication:
Vaz DC, Noël P, Johansson A, Göbel B, Bruno FY, Singh G, McKeown-Walker S, Trier F, Vicente-Arche LM, Sander A, Valencia S, Bruneel P, Vivek M, Gabay M, Bergeal N, Baumberger F, Okuno H, Barthélémy A, Fert A, Vila L, Mertig I, Attané JP and Bibes M. Mapping spin-charge conversion to the band structure in a topological oxide two-dimensional electron gas. Nature Materials, 2019