Depuis plusieurs années, les chercheurs et ingénieurs du monde entier explorent des pistes pour remplacer le transistor classique qui équipe nos ordinateurs, téléphones… Ce remplaçant devra pouvoir être miniaturiser, consommer le moins possible et combiner plusieurs fonctions. Des chercheurs de notre institut travaillent depuis de nombreuses années sur des architectures de mémoires magnétiques qui exploitent les propriétés du spin de l'électron lorsqu'il traverse une couche ferromagnétique. En collaboration avec des chercheurs du laboratoire CNRS/Thales d'Orsay, ils viennent de faire un pas important pour démontrer l'applicabilité de nouveaux concepts d’architecture qui pourraient être de bons candidats.

Dans certains matériaux, l'orientation du spin de l'électron est liée à la direction dans laquelle se propage ce dernier. Un électron traversant une couche ferromagnétique a son spin orienté suivant l’aimantation de cette couche. On dit alors qu’il est polarisé. Si on injecte des électrons polarisés suivant une seule direction, un courant de charges va se produire dans une direction donnée de l'espace. C’est ce qu'on appelle l’interconversion spin-charge que l’on souhaite maximiser dans ces nouvelles architectures. La brique élémentaire nécessaire à l’obtention d’interconversion doit être un empilement composé d’une couche ferromagnétique dont le but est de polariser les spins, et d’une seconde couche dans laquelle l'interconversion a lieu.
En collaboration avec des chercheurs de notre institut nous avons trouvé que le système optimal était constitué d’un empilement de plusieurs couches, SrTiO₃\Al\NiFe où le SrTiO₃ (STO) est un oxyde qui conduit très mal le courant, et le NiFe un matériau ferromagnétique qui apporte la source de spins polarisés. La couche fine d'aluminium, à l'interface et au contact de la couche STO, permet quant à elle de créer une couche d’électrons se propageant très bien sous forme d’un gaz bidimensionnel d'électrons (2DEG). C’est dans ce gaz qu’a lieu l’interconversion. Grace à diverses techniques d'imagerie et de spectroscopie de microscopie électronique à transmission, nous avons été capables de mesurer à l'échelle atomique la réduction du STO à l’interface avec l’aluminium et d'expliquer la création du gaz bidimensionnel d'électrons 2DEG (Figure).


A gauche image de microscopie électronique de l’empilement STO\Al (9Å). À droite cartographies chimiques montrant que l’oxygène à diffusé suite au dépôt d’aluminium.

La conversion spin charge s’est avérée six fois plus élevée dans ce type d’empilement. Ces résultats indiquent que les oxydes 2DEG sont de solides candidats pour la lecture d'informations basée sur le spin dans les nouvelles conceptions de mémoires et de transistors.