Spin des électrons

Lorsqu'un courant de charge transporte également un flux non nul de moment angulaire de spin, on parle de courant de spin, avec, en situation extrême, les purs courants de spin où les spins up et les spins down diffusent en sens inverse, sans flux net de charge, comme dans la figure suivante :

Toutes les situations intermédiaires existent :

• un courant de charge totalement polarisé en spin = tous les électrons ont le même spin
• un courant de charge partiellement polarisé en spin = une proportion supérieure à 50% d'électrons ont un spin particulier

Dans un solide, les électrons n’ont plus accès uniquement à des niveaux d’énergie discrets comme dans le cas de l’atome isolé, mais peuvent prendre des valeurs continues dans des intervalles d’énergie donnés.

La conduction électrique est assurée par les électrons proches du niveau de Fermi EF, des bandes électroniques dites s. Dans le cas des métaux de transition, il s'agit de la bande 4s, et pour les spins ↑ et ↓ , c'est la même forme et le même remplissage.

Or la bande 3d se superpose à la bande 4s sur une certaine gamme d’énergie, et donc elles se rempliront simultanément.

On peut également remarquer que la bande 3d est très étroite en énergie comparée à la bande 4s. Cette étroitesse correspond à une énergie cinétique plus faible pour les électrons 3d que pour les électrons 4s.

Une conséquence importante est que le moindre décalage entre 3d↑ et 3d↓ entrainera une différence importante entre les populations d’électrons portant un spin ↑ et ceux portant un spin ↓.

Et c'est effectivement le cas, nous avons une différence du fait de l'orientation du spin par rapport à l'aimantation locale, et on obtient deux populations différentes :

• spin orienté suivant l’aimantation locale : électrons majoritaires
• spin opposé à l’aimantation locale : électrons minoritaires

Les électrons majoritaires, ici avec un spin ↑, présenteront une conductivité plus élevée et une résistivité plus faible.

Un champ électrique appliqué crée un courant qui sera différent pour les spins ↑ et ↓ du fait des résistivités différentes. On dit alors que le courant (de charge) est polarisé en spin qui est aussi un courant de moment angulaire de spin appelé courant de spin.

Un courant Ic est appliqué à l'interface entre un ferromagnétique métallique F1 et un métal non magnétique N. Les électrons de conduction dans F1 sont polarisés en spin, alors un courant de spin est injecté de F1 à N, provoquant une accumulation à l'interface F1/N.

Comme il n'y a pas de courant de charge à droite de F1, l'accumulation des spins à l'interface F1/N diffuse à droite sous la forme d'un courant de spin par électrons de conduction.

On détecte ce courant de spin via le second ferromagnétique F2 en mesurant la tension provoquée par l'accumulation des spins à l'interface F2/N, dépendant de l'orientation magnétique de F2 par rapport à F1.

Un magnon est une onde de spin.

Le spin est transporté par l'onde de spin, sans transfert de charge électrique. Au démarrage, les spins sont dans l'état de base, tous alignés. Une excitation provoque l'onde de spin qui se propage. On observe une précession de chacun des spins.

Pour mesurer un courant de spin à magnons, il faut éliminer la contribution du courant de spin à électrons de conduction.

Le premier film de platine N1 injecte un courant de spin par l'effet Hall de spin (voir plus loin). Ce courant de spin exerce un couple à l'interface N1/F, ce qui provoque une précession et induit un courant de spin qui se propage dans le ferromagnétique F comme un courant de spin à magnons. À l'interface N2/F, on a l'effet de Hall inverse qui crée un courant de charge mesurable.