06 octobre 2016
De la super-conduction du spin dans les isolants électriques
Contact : Olivier Klein

Illustration 2: Illustration de principe de l'effet Hall permettant l'inter-conversion d'un courant de charge Jc dans le Pt en un pur courant de spin Js allant vers le YIG.

La magnonique est un nouvel axe de recherche visant à exploiter le transport purement du spin dans les matériaux magnétiques. Les excitations élémentaires s'appellent ondes de spins progressives en représentation ondulatoire ou magnons en représentation corpusculaire. Les avantages par rapport aux dispositifs électroniques usuels sont une réduction significative de la consommation énergétique grâce à l’absence d'effet Joule, ainsi que de nouvelles fonctionnalités tirant profit de la dualité onde-particule. Les matériaux magnétiques peuvent être ici des isolants électriques, sachant que les performances dynamiques de ces derniers sont bien meilleures que celles de leurs homologues métalliques. Parmi tous les isolants magnétiques, le grenat d'yttrium fer (Y3Fe5O12 ou YIG) occupe une place particulière pour avoir le facteur d'amortissement dynamique le plus faible connu dans la nature.


Un problème inhérent au choix d'un isolant, est celui de l'inter-conversion du signal magnétique en un signal électrique (ou vise-versa) à l'entrée et à la sortie du dispositif. Jusqu'à récemment cette interconversion était assurée par des antennes micro-ondes placées à la surface du matériau et couplées inductivement à l'aimantation. Cette méthode cependant est peu sensible et elle nécessite d'utiliser de larges volumes qui excluent une miniaturisation extrême des dispositifs. Cette situation a changé radicalement depuis la découverte de l'effet Hall de spin, qui capitalise sur la déflexion de la trajectoire des électrons en fonction de l'orientation de leur spins. Ainsi un courant de charge (Jc) circulant dans un métal normal à fort couplage spin-orbite tel que le platine (Pt) se transforme en un pur courant de spin (Js), se propageant dans la direction perpendiculaire et ceci avec une efficacité de conversion paramétrée par l'angle de Hall de spin (cf FIG1). Si Js peut traverser l'interface alors il permet en principe d'interconvertir le courant de spin circulant dans l'isolant en un courant de charge circulant dans le métal normal. Il s'avère que la confirmation expérimentale de l'existence d'un transfert de spin à l'interface
isolant/métal agite la communauté depuis 5 ans. L'une des manifestations les plus spectaculaires est l'effet SWASER (ou spin-wave amplification by stimulated emission radiation), qui consiste à émettre spontanément des magnons en pompant continûment des spins à l'intérieur du matériau magnétique depuis l'interface (FIG1). Quand la polarisation du courant de spin externe est colinéaire à l'aimantation, le transfert de spin compense les pertes magnétiques du matériau proportionnellement à son intensité.
Lorsque cette compensation annule les pertes magnétique, alors l'aimantation se met spontanément à auto-osciller à sa fréquence propre (fréquence de Larmor). Dans un article récent soumis à Nature Communication [1], nous avons montré pour la première fois qu'il était possible d'atteindre ce régime automne dans le YIG en passant un courant électrique continu dans une couche adjacente de Pt au-delà d'un courant de seuil. Pour pouvoir observer cet effet, il est important de maîtriser deux étapes préalablement, qui permettent de minimiser la valeur du courant de seuil. D'abord il faut disposer de film ultra-mince de YIG de très bonne qualité, qu'il faut ensuite lithographier à des tailles micrométriques (ici sous forme de disques) afin de lever la dégénérescence entre modes propres. Cette observation directe du signal RF émis va permettre de mieux comprendre les processus de transfert de spin à l'interface, mais aussi elle ouvrent la voie vers de nouvelles fonctionnalités basées sur le contrôle électronique de la relaxation magnétique.


Référence :
[1] M. Collet, X. de Milly, O. d’Allivy Kelly, V.V. Naletov, R. Bernard, P. Bortolotti, J. Ben Youssef, V.E. Demidov, S.O. Demokritov, J.L. Prieto, M. Mun oz, V. Cros, A. Anane, G. de Loubens & O. Klein, Nature Commun. 7, 10377 (2016).

 

 

 

 

 

Illustration 1: (a) Schéma de principe et (b) image microscopique du dispositif utilisé pour étudier le transfert de spin dans deux microdisques de YIG|Pt de diamètre 4 et 2μm respectivement. (c) et (d) Pour chacun des disques, mesure à l'analyseur des fluctuations sur Vy lorsqu'un courant continu circule entre les 2 contacts Vx. Un signal RF apparaît au-delà d'un courant critique d'environ -13,5mA et -7,4mA respectivement.

 

Maj : 06/10/2016 (1190)

 

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