Spins et semi-conducteurs à l'échelle atomique – SSAS

Le développement de la spintronique basée sur des matériaux semi-conducteurs a permis de découvrir de nouveaux phénomènes qui sont aujourd’hui utilisés pour la conception de nouveaux composants utilisant à la fois la charge et le spin de l’électron. Mais ce développement a aussi posé nouvelles plusieurs questions concernant la physique des impuretés et des interfaces qui jouent un rôle majeur quand la taille des composants atteignent le nanomètre.

Le but du projet SSAS est de répondre à ces questions portant sur le magnétisme dans les semi-conducteurs grâce aux techniques associées à la microscopie à effet tunnel (STM). Des techniques innovantes vont être développées et appliquées sur des échantillons semi-conducteurs pour sonder les propriétés magnétiques à l’échelle atomique : la spectroscopie à effet tunnel (STS), le STM polarisé en spin (SP-STM) et la spectroscopie d’électrons inélastiques.

La première partie du projet sera consacré au nanomagnétisme d’hétérostructures. L’aimantation locale et l’anisotropie magnétique seront sondés près des interfaces semi-conductrices (par exemple dans la structure hybride Fe/GaAs utilisées dans les expérience d’injection de spin), et dans les semi-conducteurs dopés par des atomes magnétiques (dans le composé ferromagnétique Ga1-xMnxAs). Le SP-STM sera utilisé sur ces échantillons pour la première fois.

En utilisant la capacité de la spectroscopie tunnel à mesurer la densité d'état électronique locale, la modification de la structure de bande de semi-conducteurs sera étudiée lors de l’introduction d’impuretés magnétiques dans une matrice semi-conductrice. Le dopage magnétique sera exploré sous deux aspects : la structure de bande d’échantillons ferromagnétiques fortement dopés, et la modification électronique locale apportée par un atome magnétique unique sur son environnement semi-conducteur proche. Lors de cette étude, l’effet du dopage magnétique de nanostructures qui présentent une structure électronique discrète comme les boîtes quantiques sera également exploré.

Enfin, au lieu d’utiliser des échantillons actuellement étudiés dans les domaines de la spintronique ou de la nanoélectronique, une nouvelle approche est proposée dans ce projet. La future génération de composants comportant seulement quelques atomes magnétiques sera explorée grâce au STM. La manipulation d’atome par STM offre la possibilité de construire des structures artificielles de tailles et formes souhaitées. Les propriétés magnétiques de structures de deux ou trois atomes déposés sur une surface semi-conductrice seront sondées par spectroscopie dépendant du spin. Cette technique donnera accès en particulier au couplage magnétique qui existe entre les atomes et à l’orientation du spin de chacun. La spécificité de l’interaction magnétique dans un environnement semi-conducteur par rapport aux métaux pourra donc être extraite.