Courants de spin et couple de transfert de spin produits par des effets spin-orbites – SOspin

La spintronique est basée sur le contrôle des courants de spin, qui permettent de porter et manipuler une information. Ainsi, les effets de Magnétorésistance Géante et Tunnel, qui sont utilisés dans divers types de dispositifs spintroniques comme les disques durs et les mémoires magnétiques de type MRAM, sont étroitement liés à la façon dont les courants de spin se propagent dans des hétéro-structures magnétiques. Au-delà des effets de magnétorésistance, les courants de spin peuvent également produire un couple sur l’aimantation, par effet de transfert de spin. Ils peuvent ainsi permettre de manipuler l’état magnétique de nano-objets, en utilisant seulement des courants électriques. Les acteurs majeurs dans le domaine des mémoires et des dispositifs spintroniques se livrent actuellement à une véritable course pour le développement industriel de dispositifs basés sur le transfert de spin, avec notamment d’importants programmes de R&D sur la SST-RAM, une MRAM basée sur l’écriture par transfert de spin (Samsung, Hitachi, IBM,…).

L’ambition générale du projet SOspin est d’étudier et de maximiser les effets liés au couplage spin-orbite qui permettent de détecter et de générer des courants de spin. L’idée maîtresse est de contrôler les différentes sources de courants de spin, que l’on peut séparer en effets de volume (effet Hall de spin ou SHE) et effets d’interfaces (de type Rashba). Ces développements doivent permettre de réaliser des sources innovantes de courants de spin, utilisable notamment pour produire des couples de transfert de spin.

Dans un premier temps, nous allons étudier la possibilité d’augmenter le SHE en utilisant des résultats obtenus sur un alliage à base d’Au. Nous avons récemment montré que lorsque le SHE est dominé par le mécanisme dit de « Side Jump », l’angle de Hall (et donc l’efficacité de l’effet) augmente avec la concentration en impureté. L’idée centrale est d’augmenter la concentration en impuretés jusqu'à la limite de solubilité du couple hôte – impureté, pour ainsi maximiser l’angle de Hall.

Parallèlement, nous allons étudier des effets d’interface de type Rashba. Des résultats préliminaires sur le système Ag/Bi, que nous souhaitons étendrons au système Ag/Au, montrent qu’il existe un effet de conversion de courant de spin en courant de charge par effet Rashba inverse. La compréhension théorique de ce phénomène nous permettra d’étudier les systèmes de type Ta/Co et Pt/Co, constitués par une interface entre un matériau non magnétique et un matériau ferromagnétique. En effet, de très importants effets de transfert de spin ont été observés dans ces systèmes, mais l’origine de leur efficacité, qui peut être liée aux effets d’interface (Rashba) ou de volume (SHE), fait aujourd’hui l’objet d’un débat scientifique de premier plan dans notre communauté.

Finalement, nous allons chercher à combiner ces deux effets (de volume et d’interface) pour maximiser la production de courant de spin et le transfert de spin. Pour la réalisation de ce projet, nous utiliserons différentes techniques de mesures complémentaires (statiques et dynamiques) afin de caractériser les courants de spin et les couples de transfert de spin produits. Nous réaliserons également des développements théoriques nécessaires à la compréhension et l’analyse de ces effets.