Nouvelle électronique sans transport de marchandises
2015/06/01 Villamor Lomas, Estitxu - Fisikan doktorea Iturria: Elhuyar aldizkaria
Qui dirait que lorsque le premier ordinateur a été inventé en 1946, aujourd'hui l'un d'entre nous porterait un ordinateur dans sa poche? Cet ordinateur ENIAC, créé à l'Université de Pennsylvanie, avait une superficie de 167 m2, pesait 27 tonnes, lorsque la température de la chambre était élevée à 50 ºC et avait une consommation de 160 kW, entre autres, pour faire 5.000 sommes et 300 multiplications. Aujourd'hui, l'invention du transistor et la miniaturisation des circuits électroniques rendent nos téléphones portables beaucoup plus efficaces, plus rapides et capables d'effectuer davantage d'opérations logiques. En 1965, Gordon E était l'un des fondateurs de la société Intel. Moore, s'appuyant sur la tendance précédente, a formulé la loi empirique suivante: le nombre de transistors dans un circuit intégré est doublé tous les deux ans. En raison de la prévision de la loi de Moore, Intel et les autres sociétés de microélectronique ont essayé de maintenir cette tendance, permettant de fabriquer des appareils électroniques de plus en plus rapides et plus petits.
Mais cette réduction continue des circuits a aussi ses limites. D'une part, parce que les pertes énergétiques sont énormes (se transforme en chaleur): En raison de l'effet Joule, la dissipation de la charge qui passe par de si petits volumes est généralement très élevée, car la densité de puissance de nos ordinateurs est généralement plus grande que celle d'un réacteur nucléaire; d'autre part, parce qu'il y a des fluctuations quantiques: à mesure que nous approchons de la taille des atomes, les électrons, en plus de leur nature de particules, ont aussi un caractère d'onde et peuvent échapper d'un élément à l'autre du circuit. Par conséquent, si nous voulons augmenter les vitesses de traitement des données des appareils électroniques et réduire la consommation énergétique, nous avons besoin d'un changement.
Dans cette thèse pour ce changement, nous avons proposé l'option spintrónica, qui est un nouveau domaine de l'électronique qui exploite la charge de l'électron et son spin. Le spin est une propriété quantique des particules élémentaires et peut être représenté comme un moment angulaire intrinsèque et quantifié, c'est-à-dire comme un tournant qui peut prendre des valeurs uniques dans une certaine direction. Dans la direction préférentielle Z, le spin prend les valeurs s = ½ et s = -½ (ascendantes et descendantes), c'est-à-dire si nous représentons l'électron de forme classique, nous le représenterons comme une particule qui tourne en haut ou en bas.
Comme l'électron est une particule chargée, il a un moment magnétique associé au spin:. Cela signifie que l'électron se comporte comme un aimant microscopique. En fait, la magnétisation des aimants et/ou des matériaux ferromagnétiques (FM) est due au fait que ces matériaux sont orientés vers une certaine direction de spins. Ainsi, lorsqu'un courant de charge est transporté à travers un matériau FM, il est généralement polarisé : les spins des électrons qui transportent le courant sont également alignés. Comme on peut le voir dans la figure 2, en exécutant le même transport de charge, dans le cas de la charge polarisée on peut transporter plus d'informations (de la charge et de la spina), de sorte que la consommation de la même quantité d'énergie est rationalisée le processus de données.
La spintronica est née à la fin des années 1980 et a eu diverses applications. Ils sont basés sur la génération de courants polarisés, le transport à courte distance et la détection, par exemple, des dispositifs qui lisent des informations stockées sur des disques durs. Aujourd'hui, cependant, le développement de la spintrónica viendra de la main de dispositifs de deuxième génération qui remplaceront le courant de charge par un courant de spin pur pour réduire les pertes de chaleur provoquées par l'effet Joule et la consommation énergétique conséquente. Comme on peut le voir dans la figure 2(c), la présence d'un courant pur de spin réduit considérablement la perte de chaleur provoquée par le frottement de ceux-ci par un courant de charge polarisé. Notez que le courant de spin est défini comme JS = J - J, où J et J sont les courants de charge associés au spin ascendant et descendant, le spin descendant qui va vers la gauche est équivalent au spin ascendant qui va vers la droite, de sorte que l'information de spin qui est transporté sur les figures 2(b) et 2(c) est la même.
Pour un bon fonctionnement des dispositifs spinotroniques de deuxième génération, trois éléments sont nécessaires principalement: (i) génération de courants de spin purs, (ii) transport de ces courants sur de longues distances (100 nm) et (iii) manipulation de spins transportés. Ainsi, l'objectif de cette thèse a été d'analyser ces éléments en utilisant des valves de spin latérales. Les valves de spin latérales sont des dispositifs qui permettent de générer électriquement des courants de spin purs. Deux électrodes FM sont constituées d'un canal non magnétique (RM) qui relie les deux électrodes FM et les mêmes, et leur géométrie permet de diriger un courant électrique d'une électrode FM à un canal RM, tout en mesurant la tension à travers la deuxième électrode, comme indiqué dans la figure 3(a). Le courant de la première électrode FM à canal RM est polarisé le long de la FM, mais comme le matériel RM a le même nombre de spines ascendantes et descendantes, les spines provenant de FM trouvent une résistance à la surface entre les deux matériaux, où ils sont empilés en déséquilibre. Pour équilibrer le système, ces spins empilés s'étendent des deux côtés de l'électrode FM, générant un courant de spin pur sur la partie que nous n'avons pas de transport de charge. La deuxième électrode FM permet entre le canal RM et ce FM de produire à nouveau une accumulation de spins qui peut être mesurée comme une tension électrique. Par conséquent, bien que nous puissions penser que la tension mesurée comme le courant de charge ne se déplace pas entre les deux électrodes doit être nulle, il existe une tension électrique mesurable créée par le courant pur de spin ou le signal de spin. La magnétisation relative entre deux électrodes FM modifie le signe de cette tension: lorsque la magnétisation des électrodes est parallèle (dans le même sens que la magnétisation des deux électrodes), la tension est positive, mais lorsque leur magnétisation est antiparallèle (lorsque les magnétisation ont des sens opposés) la tension mesurée est négative. La magnétisation des électrodes peut être contrôlée par un champ magnétique externe. Ainsi, en mesurant la tension en fonction de la zone externe on obtient la courbe de la figure 3(b), empreinte digitale des valves de spin latérales.
Les valves de spin latérales sont si petites (les électrodes, par exemple, ont une largeur approximative de 100 nm) que si elles tombent une particule de poudre plus de peuvent cesser de fonctionner. Par conséquent, ils sont fabriqués dans un laboratoire appelé «salle blanche» où le nombre de particules qui peuvent être dans l'air est bien contrôlé grâce à des filtres spéciaux. La technique appelée lithographie par canon à électrons a été utilisée pour la fabrication des échantillons. Cette technique consiste à « écrire » sur un polymère avec un e-canon et à évaporer le métal. Cette technique se compose de plusieurs étapes : d'abord un polymère sensible aux électrons s'étend sur un substrat (habituellement en silicium) ; ensuite, à travers l'e-canon, on écrit l'image que l'on souhaite obtenir et on la révèle à l'aide d'une substance chimique, c'est-à-dire que l'on élimine la résine écrite. Le métal s'évapore sur lui et finalement tout l'échantillon est introduit dans l'acétone pour dissoudre la résine, en gardant le métal uniquement dans la zone indiquée par l'e-canon. Dans notre cas, nous avons effectué ce processus à deux reprises, d'abord pour générer les électrodes FM et ensuite mettre le canal au-dessus de la RM. Dans chaque échantillon ont été placés différentes valves de spin, mesurant le signal de spin pour différentes longueurs de canal RM, pour comprendre les propriétés de ces dispositifs. Enfin, grâce à la lithographie optique (en remplaçant l'e-canon par la lumière ultraviolette), les voies macroscopiques indiquées dans la figure 4(d) ont été créées pour le contact électrique de l'échantillon.
La haute répétabilité dans la fabrication de nos dispositifs nous a permis d'utiliser différents matériaux ferromagnétiques pour générer des courants de spin pures, obtenant le signal maximum avec permalloy (alliage nickel fer). En outre, en analysant le transport de spin à travers la grotte en fonction de la température, des impuretés magnétiques et des défauts (surfaces, limites de grain, etc.) Ils ont été identifiés comme responsables de la réduction du signal de spin. Curieusement, même si nous avons besoin de structures nanométriques pour mesurer des signaux de spin, leur petite dimension augmente les erreurs et entrave le transport des spins.
Enfin, une nouvelle méthode de manipulation des spins a été proposée et développée à travers l'interaction entre spins et matériaux ferromagnétiques isolants (FMI). Comme ces matériaux sont isolants, ils ne transportent pas d'électrons, mais leur magnétisation (M) affecte les spins qui circulent par RM de canal, quand il est perpendiculaire à eux. M est facilement contrôlable par un petit champ magnétique externe qui, étant petit, n'affecte pas la magnétisation de l'électrode FM. Ainsi, lorsque la polarisation de M et spines (s) sont parallèles, nous ne mesurons pas les changements du signal de spin, tandis que lorsque M et s sont perpendiculaires entre eux, le FMI absorbe des spines et le signal mesuré est inférieur. Pour vérifier la méthode proposée, nous avons fabriqué les valves de spin latérales sur un itrium et un grenat en fer et, en changeant la direction de M avec l'angle ? (mais en maintenant sa valeur fixe sur 250 oersteds), nous avons détecté une modulation de 8% sur le signal mesuré pour la magnétisation parallèle et antiparallèle de l'électrode FM. Cette modulation est tout à fait évidente et il est considéré que, tant en optimisant le processus de fabrication que en sélectionnant les matériaux appropriés, on peut considérablement augmenter. Ainsi, nous avons ouvert la voie à des opérations logiques avec des courants de spin purs. C'est une exigence indispensable si nous voulons remplacer l'électronique conventionnelle par spintrónica qui coule grâce aux courants de spin pures.
Bibliographie Bibliographie
