07 février 2017
Mise en évidence de la conversion d’un courant de spin en courant de charge par couplage Rashba à l’interface Fe/Ge(111)
Contact : Matthieu Jamet

Figure 1: Transmission electron microscopy image of the Fe/Ge(111) interface

Nous avons démontré l’inter conversion courant de spin –courant de charge par effet Rashba à l’interface entre deux matériaux « légers » : le fer et le germanium, matériau compatible avec la technologie CMOS actuelle. Ce résultat constitue une première étape vers la fabrication d’un transistor à spin dont le fonctionnement serait basé sur l’utilisation du couplage spin-orbite.

Le couplage spin-orbite, qui relie le spin de l’électron à son vecteur d’onde, a longtemps été négligé dans le domaine de la spintronique. A l’heure actuelle, il est utilisé pour générer, détecter et manipuler des spins. Il permet donc de remplir les trois fonctions de base du transistor à spin qui utilise le spin de l’électron plutôt que sa charge pour fonctionner. Pour l’intégration rapide de ce dispositif en microélectronique, il doit être développé dans le silicium ou le germanium, matériaux compatibles avec les technologies actuelles. Dans les matériaux massifs, les courants de spin sont générés ou détectés à l’aide de l’effet Hall de spin relié au couplage spin-orbite. Cependant, cet effet est très faible dans le silicium et le germanium alors que le couplage spin-orbite de type Rashba aux interfaces métal/Si(111) ou métal/Ge(111) est très fort et permettrait de générer et détecter efficacement des courants de spin. Cet effet Rashba peut, en effet, atteindre plusieurs centaines de meV.

Dans ce travail, nous montrons la conversion efficace d’un courant de spin en courant de charge dans les états métalliques à l’interface Fe/Ge(111) par effet Rashba. Un très fort courant de charge est généré par pompage de spin direct dans les états d’interface de 20 K à température ambiante. La présence des états métalliques à l’interface Fe/Ge(111) est d’autre part démontrée par des calculs ab initio. De cette façon, nous démontrons comment tirer parti du couplage spin-orbite aux interfaces pour le développement du transistor à spin.

 

Figure 2: sketch of the measurement geometry for spin pumping. FMR/transverse voltage measurements performed at 20 K and 300 K respectively.

Les interfaces Fe/Ge(111) sont fabriquées par épitaxie par jets moléculaires. L’image de microscopie électronique en transmission de la figure 1 montre la qualité de l’interface à l’échelle atomique ainsi que la relation d’épitaxie : Fe(111)[11]||Ge(111)[2]. L’échantillon de la figure 2 est ensuite introduit dans une cavité bande X de résonance paramagnétique électronique fonctionnant à 9 GHz. hrf et Hdc sont le champ magnétique radiofréquence et le champ statique appliqués. A la résonance ferromagnétique de l’électrode de Fe, une accumulation de spin est dynamiquement générée par pompage de spin dans les états d’interface Fe/Ge. Cette accumulation de spin est ensuite convertie en courant de charge transverse 2D par couplage spin-orbite de type Rashba (figure 2). Nous avons mesuré des courants de l’ordre de 1 µA pour une puissance radiofréquence de 200 mW et ce courant produit est indépendant de la température. Cette inter conversion courant de spin-courant de charge est confirmée par le fait que le substrat de Ge et l’interface Fe/Ge deviennent isolants à basse température. Finalement, l’existence des états métalliques Rashba à l’interface Fe/Ge(111) est confirmée par des calculs ab initio et le couplage Rashba peut atteindre 50 meV au voisinage des points K de la surface de Brillouin. En conclusion, nous avons démontré expérimentalement et théoriquement la conversion efficace d’un courant de spin en courant de charge à l’interface entre deux matériaux d’atomes « légers » dont l’un, le germanium, est compatible avec la technologie silicium. Ce travail suggère qu’il est possible de créer des courants de spin à partir de courants de charge à l’interface monocristalline Fe/Ge(111), ce qui constitue la première brique d’un spin-FET basé sur l’utilisation du couplage spin-orbite.

Référence: S. Oyarzún, A. K. Nandy, F. Rortais, J.-C. Rojas-Sánchez, M.-T. Dau, P. Noël, P. Laczkowski, S. Pouget, H. Okuno, L. Vila, C. Vergnaud, C. Beigné, A. Marty, J.-P. Attané, S. Gambarelli, J.-M. George, H. Jaffrès, S. Blügel & M. Jamet, Nature Comm. 7, 13857 (2016).

 

Collaborations:

Unité Mixte CNRS/Thales, Palaiseau, France.

Forschungszentrum, Juelich, Germany.

Microscopie électronique réalisée à la PFNC, CEA Grenoble.

 

Maj : 07/02/2017 (1232)

 

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