Vers une source de courant polarisé en spin

Pour encoder et traiter l’information, la spintronique exploite non seulement la charge des électrons, comme l’électronique habituelle, mais aussi l’orientation de l’aimant élémentaire, ou spin, que porte chaque électron. En mettant à profit des courants électriques polarisés, qui mettent en jeu des électrons dont les spins pointent tous dans la même direction, physiciens et ingénieurs ont conçu des composants électroniques performants et très compacts notamment pour le stockage de l’information numérique. Toutefois, aussi efficaces soient-ils, ces dispositifs ne peuvent pas servir au transport de l’information, car les courants ne restent polarisés qu’à l’échelle du composant, c’est-à-dire sur de très petites distances. Scientifiques et ingénieurs sont ainsi à la recherche d’une source de courant fortement polarisée en spin et restant efficace aux températures requises par l’industrie. Une collaboration internationale de physiciens français, italiens, suisses et allemands, réunit autour de l’Institut de Physique et Chimie des Matériaux de Strasbourg - IPCMS (CNRS / Univ. Strasbourg), viennent de proposer un dispositif qui pourrait servir de base à une telle source. Ils ont découvert que l’interface entre du Cobalt (Co) et des molécules de phthalocyanine, un composant couramment utilisé comme pigment pour les encres, polarise fortement en spin un courant qui la traverse. Ces travaux sont publiés dans la revue Scientific Reports et protégés par un brevet. Les chercheurs explorent actuellement les conséquences fondamentales et appliquées de cette avancée, notamment par l’étude de dispositifs de démonstration technologique qui cimenteraient la portée de ces travaux.

Les chercheurs ont tout d’abord déposé des molécules de phthalocyanine sur la surface d’un cristal de cobalt. Dans une première série d’expériences, ils ont soumis cette surface à un rayonnement X issu du synchrotron Soleil et mesuré les propriétés des électrons arrachés de la surface par cette lumière. Lorsque l’énergie du rayonnement incident permet de sonder les électrons participant à la conduction électrique dans le cobalt, l’émission électronique est fortement polarisée. Le calcul ab initio de la formation des orbitales moléculaires hybrides lors de l’adsorption des molécules de phthalocyanine sur le cobalt a alors montré que cette forte polarisation provient des orbitales hybrides entièrement polarisées en spin qui se forment à cette énergie. La mesure du moment magnétique des atomes d’azote de la phtalocyanine a confirmé ce résultat. Cette interface polarisée en spin, ou spinterface, semble posséder les propriétés d’une source de courant polarisée en spin idéale. En effet, la forte polarisation en spin du courant qui traverse cette interface provient du magnétisme du Co, qui demeure robuste face à la contrainte thermique au sein d’applications industrielles. L’effet ne nécessite qu’une seule molécule, ce qui laisse présager des nanodispositifs performants. Enfin, la polarisation en spin des orbitales de la molécule formant la spinterface pourrait permettre une meilleure injection de ces spins au sein de semiconducteurs organiques en vue du transport de spin inter-dispositifs.

L’adsorption de molécules de phthalocyanine sur Co engendrerait une forte asymétrie de spin du courant électrique qui traverse cette interface.