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La spintronique va-t-elle supplanter l'électronique ?

28 Septembre 2015, 16:56pm

Publié par Grégory SANT

Après l'électronique, nous prédit-on, viendra la spintronique, exploitant le spin des électrons. Mais on pourra peut-être faire mieux, d'après une équipe française lancée dans la valléetronique... En utilisant une autre propriété quantique, l'index de vallée, il serait possible de contrôler le spin, et ce grâce aux semi-conducteurs classiques. L'intérêt est aussi scientifique, comme nous l'explique Vincent Renard, enseignant-chercheur à Grenoble et membre de cette équipe.

L’électronique classique repose sur la charge de l'électron. Depuis plusieurs années, les tenants de la spintronique tentent d'utiliser une de ses propriétés quantiques, le spin, pour stocker ou traiter l'information. Plus récemment, une nouvelle piste est née, la valléetronique, qui exploite une autre grandeur quantique associée à l’électron, l’index de vallée. Vincent Renard, enseignant-chercheur à l'université de Grenoble et auteur d’une étude parue récemment dans le magazine Nature Communications, nous offre son éclairage sur ce domaine de recherche particulièrement en vogue.

Futura-Sciences : La valléetronique s’appuie sur un nombre quantique encore peu connu…

Vincent Renard : Il est au contraire assez bien connu dans la communauté. L’index de vallée a été introduit dans les années 1960 pour décrire les propriétés du silicium. Mais, jusqu’à récemment, il était considéré comme perturbateur car à l’origine de phénomènes de diffusion qui dégradaient les performances des transistors. Les industriels ont su y remédier en supprimant ces phénomènes de diffusion parasite par l'application d'une contrainte sur le silicium.

Quelle est l’origine physique de ce nombre quantique ?

Vincent Renard : Contrairement au spin, qui est un nombre quantique intrinsèque à l'électron, l'index de vallée est une propriété conférée aux électrons par le matériau hôte (ici le silicium). Il résulte directement de la structure de bande du silicium, laquelle découle de la structure cristallographique de ce matériau. Au sein de la bande de conduction, l'énergie accessible dépend de l'impulsion de l'électron. L'impulsion est une grandeur dont l'analogue, pour nous les humains, est la vitesse. Pour les semi-conducteurs « simples », le minimum d'énergie de la bande de conduction se produit pour une impulsion nulle (comme pour les humains qui ont une énergie cinétique nulle à vitesse nulle).

Mais ce n'est pas le cas pour le silicium pour lequel ce minimum se produit pour une impulsion non nulle et seulement pour une impulsion dirigée suivant l'une des 6 directions de l'espace x ou -x, y ou -y, z ou -z. Lorsque la bande de conduction du silicium se peuple, les électrons se repartissent entre les six minimums d'énergie équivalents, qui sont appelés les six vallées de la bande de conduction. Si on confine un électron dans le plan, comme c'est le cas dans un transistor, seules deux vallées restent accessibles.


Vincent Renard est enseignant-chercheur à l'université de Grenoble et auteur d’une étude sur la valléetronique parue récemment dans le magazine Nature Communications. © DR

En quoi consiste alors la valléetronique ?

Vincent Renard : Ce terme générique a été inventé pour désigner un ensemble de phénomènes qui dépendent de l’occupation des vallées. On peut faire le parallèle avec la spintronique qui décrit un vaste champ d'applications. De l'exploitation de la forte variation de la résistance à l'interface entre deux matériaux magnétiques en fonction de l'orientation respective de leur aimantation jusqu'à la réalisation d'une unité d'information quantique (Qbit) en exploitant les deux niveaux d'énergie d'un électron dans un champ magnétique. À l'heure actuelle, la valléetronique est encore une discipline jeune mais on peut s'attendre à un développement similaire à celui de la spintronique. Et il y aura aussi probablement des phénomènes à étudier à l’interface de la spintronique et de la valléetronique, comme la manipulation des spins à travers l’index de vallée.

Justement, n’est-ce pas la voie que vous avez récemment explorée ?

Vincent Renard : Nous avons en effet établi que, dans les transistors à base de silicium, l’aptitude des spins électroniques à s’aligner sous l’effet d’un champ magnétique extérieur, ce que l’on appelle la polarisation de spin, peut être radicalement modifiée par le biais de l’index de vallée.


a) Le silicium est un semi-conducteur : la bande de conduction est en principe vide mais peut facilement être remplie car la largeur de la bande interdite est petite. b) Profil de l'énergie dans la bande de conduction en fonction de l'impulsion pour une direction particulière. Le remplissage se fait en commençant par les énergies les plus faibles. Les électrons peuplent donc en premier lieu les vallées de la bande de conduction. c) Le profil est le même dans chacune des trois directions de l'espace. Il existe donc six vallées équivalentes dans le silicium.

Pouvez-vous nous en dire un peu plus ?

Vincent Renard : Le fait qu’il existe un couplage entre index de vallée et spin n’est pas surprenant en soi. Mais notre étude a montré que ce couplage n’allait pas dans le sens attendu si les électrons sont considérés comme indépendants les uns des autres. Notre conclusion est que lorsqu’on contraint les électrons à occuper une seule et unique vallée, en d’autres termes lorsqu’on polarise le matériau en vallée, le champ magnétique nécessaire à polariser en spin est inférieur à celui nécessaire lorsque deux vallées sont accessibles aux électrons.

Et qu’en pensent les théoriciens ?

Vincent Renard : Beaucoup de bien puisque la théorie, si elle tient compte des interactions entre électrons, prévoit exactement, et sans recours à aucun paramètre d’ajustement, le résultat que nous avons observé. À savoir qu’il est préférable pour deux électrons d’aligner leurs spins, et plus encore si ces deux électrons sont contraints à se positionner dans une seule et unique vallée.

Ce résultat a été obtenu sur des transistors classiques. La preuve que le silicium n’a pas encore livré tous ses secrets. Est-ce un avantage par rapport aux pistes nécessitant des matériaux plus exotiques ?

Vincent Renard : Les dispositifs sur lesquels nous avons travaillé sont en effet des transistors proches de ceux que l’on trouve dans nos ordinateurs, des transistors silicium sur isolant, une technologie dont la France s'est fait une spécialité ! Dans le silicium, la polarisation de vallée peut être manipulée par l’électrostatique et obtenue à 100 %. La découverte des métaux de transition dichalcogènes ou encore du graphène a récemment déclenché un soudain intérêt pour la valléetronique. Cependant, ces matériaux-là doivent être pompés par la lumière pour pouvoir être polarisés en vallée et encore, de façon incomplète. Ceci limite les applications pratiques rapidement envisageables.


Puces électroniques sur lesquelles les transistors SOI sont embarqués. © Université de Bath

Rien n’est jamais parfait. Vous aussi devez bien avoir rencontré une difficulté ?

Vincent Renard : C’est vrai. Toutes nos observations ont été réalisées à des températures très basses, de l’ordre de 4 kelvins. Car, à température ambiante, nous ne savons pas, pour l’instant, polariser le silicium en vallée.

Quelles sont donc les perspectives de la valléetronique appliquée aux semi-conducteurs ?

Vincent Renard : Ces dispositifs constituent une première étape permettant d’imaginer des dispositifs électroniques dans lesquels le spin pourrait être contrôlé par l’index de vallée. Mais l'intérêt est avant tout fondamental en physique de l’état condensé. Ces dispositifs pourraient en effet permettre de répondre à une ancienne question très débattue dans la communauté concernant l'état dans lequel se trouve le système électronique à très basse température et à basse densité. Lorsque la densité d'électrons diminue, les effets de leurs interactions augmentent.

C’est un peu comme dans une salle de réception qui serait emplie de personnes agoraphobes (les électrons se repoussent les uns les autres). Lorsque la pièce est comble, chaque convive est évidemment très mal à l'aise mais n'a pas de réelle possibilité de réduire son interaction avec les autres. Lorsque la salle est peu remplie, les convives sont plus libres de se déplacer, de maximiser leur distance afin de diminuer leur interaction avec les autres. Les effets de l'interaction sont alors plus visibles. Or, les interactions entre électrons ont tendance à provoquer un alignement de leurs spins. Nos mesures semblent indiquer qu'il est possible qu’à basse température, lorsque le système est polarisé en vallée, les spins s’alignent spontanément sous l'effet des interactions, faisant du matériau un système ferromagnétique. C'est une hypothèse qui est très débattue dans la communauté. Pour la vérifier par l’expérience, il nous faudra encore augmenter la qualité de nos échantillons.

Source : futura-sciences.com

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