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La naissance de la spintronique ou l'électronique de spin est l' exemple type de l' interraction entre recherche fondamentale et applications technologiques.

Les nanotechnologies au secours de la spintronique !

Le temps des pionniers

En 1922, George Eugène Uhlenbeck n’a pas encore sa thèse en poche mais une occasion se présente de partir à Rome: il devient précepteur particulier du fils de l’ambassadeur néerlandais en Italie jusqu’en 1925. Avant son départ, son directeur de thèse, Ehrenfest, lui conseille de rencontrer Enrico Fermi et de poursuivre ses études de physique. Non seulement son séjour italien ne l' incite pas à continuer dans cette discipline mais Uhlenbeck pense abandonner la physique et se consacrer à l’histoire ! De crainte de perdre un grand scientifique, Ehrenfest lui propose de devenir son assistant...

Trois nombres caractérisent alors l'électron considéré comme objet quantique :

  • le premier indique sur quelle orbitale se trouve la particule (autrement dit à quelle « distance » du noyau elle est et avec quelle énergie).
  • Le deuxième renseigne sur la forme de l’orbitale : les unes pouvant effectivement ressembler à une sphère, les autres à des formes plus compliquées comme des trèfles à 4 feuilles.
  • Le troisième donne l’orientation dans l’espace de ces orbitales : le trèfle à 4 feuilles pointe-t-il vers l’avant ou vers le haut, etc.

Dès janvier 1925, Uhlenbeck aide d' un autre doctorant Samuel Goudsmit cherche à développer une idée de Pauli: un quatrième nombre quantique caractériserait la rotation de l'électron qui, malgré la grossièreté de l'analogie prend le nom de "spin". Ainsi, l'électron possède une valeur intrinsèque qui quantifie son comportement dans un champ magnétique. De ce point de vue, il n' a plus seulement une charge électrique dont on sait provoquer la circulation. Son orientation dans un champ magnétique dépend également de son spin. Une nouvelle possibilité de maitriser le mouvement des électrons s' offre-t-elle aux physiciens ?

De la théorie à la pratique

Pour confirmer cette nouvelle manière de faire circuler les électron, la physique devra attendre un demi-siècle (1970) les progrès des nanotechnologies pour pouvoir expérimenter des électrons sur des matériaux magnétriques.

Dessin d'une multicouche composée de couches de fer et de chrome en alternance.

Dessin d'une multicouche composée de couches de fer et de chrome en alternance. Cette multicouche est semblable à celle de la découverte de la magnétorésistance géante (GMR) en 1988.

Chaque couche est constituée de trois plans d'atomes (représentés par des boules).

Les flèches indiquent l'orientation de l'aimantation des couches de fer avant application d'un champ magnétique.

© CNRS

Imaginons que le spin de l’électron se représente par l’aiguille d’une boussole qui s’orienterait selon le champ magnétique environnant. Différents matériaux magnétiques comme le fer, le nickel ou le cobalt, orientent les spins des électrons s’orientent dans une même direction. Le chrome est, lui, non-magnétique. Si les couches alternent, une couche de fer orientée dans un sens, une couche de chrome non-magnétique, une couche de fer orientée dans l’autre sens, les électrons se déplaceront différemment d'une couche à l' autre : certains électrons passent sans encombre tandis que d’autres sont quasiment arrêtés. On reconnait là la représentation de 0 et de 1 par des circuits électronique.

De fait, cette propriété des électrons recevra une application au stockage des données sur des supports tels que les disques durs de nos ordinateurs.

Une magnétoresistance géante est constituée de 2 couches alternées :
Une couche à aimantation fixe et une couche dont le champ s aligne sur les champs magnetiques externes
Quand la résistance est la même pour les 2 parties de la magnétoresistance, le courant passe facilement et représente le bit 1
Ainsi nos disques durs peuvent stocker l information facilement accessible en grande quantité

Temps de latence et analogies

Un temps de latence d'un demi-siècle sépare les premières intuitions d'une caractéristique d' un électron de ses applications pratiques. De plus, on peut constater que le spin est à la spintronique ce que la charge électrique est à 'électronique. La notion d'électron étant constant ( tertium comparationis), la spintronique se déduit de l'électronique par substitution.

Liens

Des physiciens d'hier à la physique d' aujourd'hui

Giant Magnetoresistance (GMR)

Temps de latence

Analogie

Substitution