Spin des électrons
On observe un couplage ou interaction entre le spin d'une particule et son mouvement, et l'électron n'y échappe pas.
Et il existe aussi une possibilité de transférer le spin par un couplage particulier.
Couplage ou interaction spin-orbite
Spin Orbit Coupling SOC
Le « couplage spin-orbite » (SOC, Spin Orbit Coupling) est un effet relativiste qui affecte le spin des électrons par l'intermédiaire de leur environnement.
Bravo ! Voilà une explication un poil rapide, non ? Il suffit de mettre "relativiste" pour que plus personne ne moufte ? Ce serait bien de faire mieux, mais ces histoires sont relativement compliquées.
Pour vous donner une idée, il faut considérer le référentiel du noyau et le référentiel de l'électron orbitant autour du noyau, sachant que chacun crée une boucle de courant, et tenir compte du champ électrique ressenti.
On finit par tomber sur une expression qui couple le moment magnétique de spin et son moment orbital. D'où le nom.
Cette interaction qui couple le moment orbital au spin de l’électron est à l’origine de nombreux phénomènes tels que l’effet Hall anomal, la magnétorésistance anisotrope ou encore l’anisotropie magnétocristaline...
Création de courant de spin
On peut créer un courant de spin à partir d'un courant de charge grâce au couplage spin-orbite de deux manières :
- l’effet Hall de spin (SHE), qui est un effet volumique, produit dans une couche métallique, injectable dans un ferromagnétique adjacent
- l’effet Rashba, qui est un effet surfacique se situant à l'interface d'un ferromagnétique et d'un matériau non magnétique
Ce qu'il faut retenir, c'est que l'aimantation agit sur le spin de l'électron via le SOC, l'interaction spin-orbite, ce qui permet de créer un courant de spin à partir de courant de charge.
L'effet inverse existe également : le spin des électrons peut agir sur l'aimantation, via deux mécanismes qui sont souvent confondus mais il faut reconnaitre que la formulation n'est pas si claire :
- STT Spin-Transfer Torque
- SOT Spin Orbit Torque
J'ai sciemment utilisé les termes anglais car c'est déjà assez confusant comme ça pour ne pas en rajouter une couche en français. Et ce n'est pas souvent que vous verrez une description un poil clarifiée comme celle que je propose ici.
STT Spin-Transfer Torque
En français, le "couple de transfert de spin". On parle du couple d'aimantation.
Lorsqu'un courant polarisé en spin traverse un matériau magnétique, si le flux est suffisamment important, le moment angulaire de spin des électrons de conduction est transféré dans l'aimantation locale et peut mener au retournement de l’aimantation.
En fait il s'agit, encore et toujours, de couplage spin-orbite.
De cette manière, il est possible d'agir sur l'aimantation sans appliquer de champ magnétique, ce qui mène à des effets intéressants. On vient de voir la magnétorésistance géante, où une sorte de tri des spins est réalisé :
En modifiant la structure et ajoutant une jonction tunnel (= une couche mince isolante que les électrons peuvent traverser par effet tunnel), on peut réaliser un transfert d'aimantation entre le premier ferromagnétique qu'on appellera "fixe" parce que son aimantation est suffisamment forte pour ne pas bouger, et le second ferromagnétique "soft" :
puis "imprime" un couple magnétique (jaune) au second ferromagnétique "soft".
De cette manière, on a transféré l'aimantation du premier ferromagnétique vers le second, c'est pour cela qu'on parle de couple (magnétique) transféré avec l'aide de spins. Pour que ça marche, il faut injecter un courant "suffisant".
Le fait d'utiliser une jonction tunnel et la ressemblance avec la structure GMR, et en plus la variation de résistance associée (une fois le transfert fait) font que l'on a aussi appelé cette structure Tunnel MagnetoResistance TMR.
La chose amusante, mais très utile, est que si l'on renverse le sens du courant, on inverse l'aimantation de la couche soft. Ce mécanisme pour réaliser des mémoires magnétiques dites STT-MRAM.
SOT Spin Orbit Torque
En français, le couple d'orbite de spin ou couple spin-orbite. Termes pas vraiment plus clairs que le précédent SST, surtout que les deux font intervenir le couplage spin-orbite, alors bonjour pour comprendre la subtilité.
Le SOT Spin Orbit Torque est généré à partir du couplage spin-orbite dans un matériau seul ou une hétérostructure. Il est différent du STT Spin-Transfert Torque où le moment angulaire de spin est transféré d'un aimant à un autre aimant (deux ferromagnétiques séparés par un isolant ou un métal). Avec le STT, le courant est polarisé (en spin) en traversant le matériau, alors qu'en SOT, il est certes aussi polarisé en traversant le matériau, mais il reste dedans et c'est à l'interface avec un ferromagnétique que ce courant exerce un couple magnétique.
Évidemment pas sur des kilomètres...
On retiendra ici que faire passer un courant de spin près de l'interface avec un ferromagnétique permet de modifier l'aimantation de celui-ci. C'est le SOT, Spin Orbit Torque. Et cela permet par exemple de modifier l'état d'une mémoire magnétique sans faire passer un courant à l'intérieur.
- [2021] Roadmap of spin-orbit torques Papier très complet, que la plupart des gens seront incapables de lire et comprendre dans le détail. Seuls les afficionados pourront en apprécier la valeur. Pas moi.
- [20] Introduction to spin torques and spin-orbit torques in metal layers / Pietro Gambardella
Page suivante, nous allons regarder de plus près l'effet Hall de spin, qui permet de créer des courants de spin, qu'on peut utiliser ensuite pour modifier une aimantation.