Un dispositif à base de graphène amplifie considérablement les signaux de spin

Un article publié dans Nature Communications décrit comment cet appareil a permis d''obtenir des spins électroniques, grâce à des interactions entre une couche de graphène et une couche de nitrure de bore. Il en résulte une amplification au centuple du signal de spin, ce qui le rend assez puissant pour l''utiliser dans des applications concrètes.

Injection et détection du spin

Le terme «spin» est utilisé pour décrire la propriété magnétique des électrons, qui peut être détectée sous la forme d''un champ magnétique présentant une orientation «up» ou «down». La science de la spintronique cherche à exploiter ce phénomène, dont l''une des applications les plus courantes est le stockage, le transport et la manipulation des informations. Mais l''exploitation du spin électronique dans un appareil nécessite un contrôle du rapport entre les densités des électrons ayant un spin up ou un spin down, ce que l''on appelle la polarisation du spin. Mais il est bien connu que ce contrôle est difficile à exercer et que le rapport entre spins up et down reste faible.

La recherche présentée dans l''article s''appuie sur les travaux du projet GRAPHENECORE1 (qui s''inscrit lui-même dans l''initiative Graphene Flagship de l''UE, ayant débutée en 2013 et d''une durée de 10 ans), financé par l''UE. Elle se base sur des recherches en cours concernant le comportement du spin dans différents matériaux. Comme le déclare le professeur Bart van Wees de l''Université de Groningue, directeur de recherche, «La polarisation du spin peut être obtenue en envoyant les électrons à travers un matériau ferromagnétique.» On crée ainsi un excédent d''un type de spin. L''étude s''est particulièrement intéressée à l''injection de spins, par laquelle un dispositif reçoit des électrons ayant des spins polarisés, et à leur détection.

L''équipe a démontré qu''elle pouvait réaliser l''injection et la détection d''électrons de spin dans le graphène de façon plus efficace grâce à l''utilisation d''un sandwich de matériaux. Il comprend en son cœur une couche de graphène épaisse d''un atome appliquée sur une couche isolante de nitrure de bore, qui repose elle-même sur un semi-conducteur de silicium. Au-dessus du graphène, ils ont appliqué une très fine couche de nitrure de bore de quelques atomes d''épaisseur, pour protéger les électrons se trouvant dans le graphène.

«Le graphène est un très bon matériau pour le transport des spins, mais il ne permet pas de les manipuler», explique le professeur. «Pour injecter des spins dans le graphène, il faut les envoyer à partir d''un matériau ferromagnétique et les faire passer à travers un isolant au nitrure de bore en utilisant l''effet tunnel. Nous avons déterminé que l''utilisation d''un couche de nitrure de bore de deux atomes d''épaisseur se traduisait par une très forte polarisation de spin pouvant atteindre 70 pour cent, soit 10 fois ce qu''on obtient habituellement.» Avec la multiplication par dix observée de la détection du spin, le signal est au final amplifié d''un facteur 100.

Résultats inattendus et applications potentielles

Un résultat inattendu observé dans les dispositifs produits était que le voltage pouvait augmenter la polarisation, ce qui va à l''encontre de l''idée reçue selon laquelle seul un matériau ferromagnétique peut polariser le spin. Il semble que la polarisation du spin soit générée à partir de l''effet tunnel utilisé pour injecter les spins dans le graphène des dispositifs créés au cours de la recherche.

Ces résultats ouvrent de nombreuses possibilités. Selon le professeur van Wees, «Nous pouvons maintenant injecter des spins dans le graphène et les mesurer facilement après qu''ils aient parcouru une certaine distance. On pourrait exploiter ce phénomène pour détecter les champs magnétiques qui affecteront le signal de spin.» Une autre application possible pourrait être de construire une porte logique ou un transistor à spin.

L''un des principaux objectifs du Graphene Flagship est de développer des techniques pour intensifier la production de graphène de haute qualité, en exploitant les résultats de ses diverses initiatives pour optimiser le flux de travaux et la qualité des produits finis.

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