Paris, 05/06/2012

L'information de spin semble trouver enfin son support pour l'électronique de demain : le graphène

Avec des centaines de millions de disques durs vendus chaque année et la prolifération des data-centers de géants de l'internet, le magnétisme reste aujourd'hui, de loin, la principale source de stockage de l'information à l'échelle mondiale. C'est en fait le « spin », le nano-aimant élémentaire du magnétisme, qui porte cette information. Bien au delà du stockage, il est pressenti comme l'un des vecteurs possibles de l'information pour l'électronique à faible consommation de demain. Cependant malgré plusieurs décennies de recherche intense, cet avènement se heurte au paradoxe de l'information de spin : alors même qu'elle est la plus prisée dans le stockage pour son caractère non-volatile, elle s'est révélée être des plus volatiles lorsqu'on cherche à la transporter. Des chercheurs de l'Université Paris-Sud, du CNRS et de Thales, en collaboration avec des collègues américains du GeorgiaTech, montrent que le graphène pourrait être le media idéal permettant d'envisager à terme la réalisation d'architectures complexes et de logiques s'appuyant sur le traitement d'informations à base de spin. Ces travaux viennent d'être publiés sur le site de la revue Nature physics.
Le traitement de l'information de spin est un paradigme possible pour l'électronique post-CMOS (complementary metal-oxide semiconductor)(1) et le transport efficace du spin sur de longues distances est un élément fondamental de cette vision. Cependant, malgré plusieurs décennies de recherche intense, une plateforme appropriée restait encore à trouver.

Des scientifiques de l'unité mixte de physique CNRS/Thales associée à l'Université Paris-Sud, de l'Institut Néel (CNRS), du laboratoire Thales Research and Technology et du Georgia Institute of Technology (USA) ont étudié le transport de spin dans des structures à deux terminaux de type polariseur / analyseur basés sur du graphène à haute mobilité obtenu par croissance épitaxiale sur du carbure de silicium. Ils ont démontré que le transport de spin dans le graphène est efficace jusqu'à 75% avec des signaux de spin de l'ordre du mega-ohm et des longueurs de diffusion de spin de plus 100 micromètres.

Ces résultats, fruits d'une collaboration entre spécialistes de l'électronique de spin et du graphène, permettent enfin de lever un verrou et d'entrevoir une plateforme potentielle pour le traitement de l'information de spin : le graphène, cette couche de carbone monoatomique avec une structure de nid d'abeille. La spintronique(2) associée au graphène pourrait être pressentie comme l'un des vecteurs possibles de l'information pour l'électronique à faible consommation de demain.

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Paris, 21 septembre 2011

Première traversée en solitaire d'un électron dans un métal
Quiconque chercherait à traquer un électron dans un métal serait bien en peine : les électrons sont non seulement des particules indiscernables les unes des autres, mais ils ont tendance à se déplacer en groupe dans les métaux. Pourtant, c'est bien la traversée solitaire d'un électron dans un tel matériau qu'ont réussi à observer et à maîtriser des physiciens de l'Institut Néel (CNRS) à Grenoble. Pour débusquer le phénomène, les chercheurs ont fabriqué un dispositif expérimental à base de « boîtes quantiques », entre lesquelles un unique électron a littéralement surfé sur une onde sonore. Une première qui pourrait sonner le début de la téléportation du spin d'un électron et de l'ordinateur quantique. Ces travaux sont publiés dans la revue Nature le 22 septembre 2011.
Les boîtes quantiques sont le premier élément clé du dispositif conçu par les physiciens grenoblois, en collaboration avec les universités de Tokyo et de Bochum, en Allemagne. Circuits électroniques de plus en plus répandus dans les laboratoires de physique, les boîtes quantiques sont des sortes de pièges microscopiques à électrons. C'est-à-dire qu'on sait, via un fil électrique afférent, y glisser un par un des électrons. Les chercheurs de Grenoble ont placé deux de ces boîtes aux extrémités d'un canal sculpté dans une fine couche d'or (elle-même superposée à un sandwich constitué d'un isolant, de l'arséniure de gallium et d'un métal). La première boîte sert à libérer un électron dans le canal. La seconde, à récupérer la particule à l'autre bout, 3 microns plus loin.

Mais pour rendre possible cette traversée au long cours d'un électron, encore fallait-il aux physiciens imaginer un moyen de propulser l'électron d'une boîte quantique à l'autre. Un rôle dévolu à un générateur d'ondes radio, pièce essentielle de l'expérience. En émettant des ondes radio, le générateur produit par effet piézoélectrique (la capacité d'un matériau à se déformer en présence d'un champ électromagnétique) des ondes sonores dans l'arséniure de gallium. Ces ondes se comportent alors comme des vagues qui poussent l'électron le long du canal, un « surf » version électronique. En inventant ce mode de propulsion inédit, les scientifiques ont fait de l'électron un navigateur solitaire.

Au-delà de la performance expérimentale, le « surf électronique » donne des pistes en physique fondamentale pour généraliser les expériences d'optique quantique à d'autres particules que les photons. Pour l'instant, les grains de lumière sont en effet les seules particules à s'être prêtées à la téléportation et à la cryptographie quantiques. L'obstacle pour utiliser des électrons était précisément la difficulté à les déplacer individuellement entre boîtes quantiques (les briques de bases qu'on envisage pour ce type de physique). En faisant sauter ce verrou, le surf sur ondes sonores est un pas vers la téléportation du spin d'un électron, la cryptographie quantique à base d'électrons et l'ordinateur quantique.

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La microscopie à effet tunnel (Scanning Tunneling Microscopy ou STM en anglais) est une technique développée dans les laboratoires d'IBM à Zurich par Gerd Binning et Heinrich Rohrer (Prix Nobel de Physique en 1986). Cette technique est basée sur un phénomène physique connu depuis les origines de la mécanique quantique, l'effet tunnel. Un microscope à effet tunnel est constitué de deux électrodes de conductivité raisonnable dont l'une a la forme d'une pointe et l'autre est la surface du film à étudier. La distance pointe-échantillon est de l'ordre de quelques angströms. Si une tension de polarisation est appliquée entre la pointe et la surface, les électrons ont une probabilité non nulle de passer d'une électrode à l'autre et un courant tunnel va donc naître.
Le principe de l'expérience consiste à déplacer la pointe au-dessus de la surface du film (à l'aide de céramiques piézo-électriques) en maintenant le courant tunnel constant par un dispositif d'asservissement. Ainsi la distance pointe-échantillon reste constante et l'enregistrement des déplacements verticaux de la pointe reproduit alors fidèlement la topographie de la surface. Si la pointe est suffisamment fine (micro-pointe de quelques angströms), le relief observé peut avoir la résolution atomique.
L'expérience de microscopie à effet tunnel peut également fonctionner en mode spectroscopique (Scanning Tunneling Spectroscopy ou STS). Dans ce ca de figure, la pointe est maintenue fixe par rapport à la surface de l'échantillon à une position donnée. Le module d'asservissement est ouvert et une rampe de tension V(t) est appliquée entre la pointe et la surface de l'échantillon. Pour chaque tension appliquée le courant tunnel est mesuré et l'étude des caractéristiques courant-tension et de leurs dérivées permet d'accéder à la densité locale d'états électroniques en surface.

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Paris, 29 novembre 2011

Une nouvelle technique pour voir les cristaux comme jamais
Une équipe européenne menée par des chercheurs de l'Institut Fresnel (CNRS/Universités Aix-Marseille 1 et 3/Ecole centrale de Marseille) et de l'ESRF (European Synchrotron Radiation Facility) à Grenoble vient de mettre au point une nouvelle technique permettant de voir la structure nanométrique, jusque-là inaccessible, des matériaux cristallins (1). Grâce à un faisceau microscopique de rayons X, cette technologie révèle en 3D et en haute résolution des plages très étendues de l'échantillon analysé. De quoi révolutionner la recherche dans diverses disciplines où l'on étudie des structures cristallines complexes, comme les sciences du vivant ou la microélectronique. Cette méthode fait l'objet d'une publication dans la revue Nature Communications du mardi 29 novembre.
Jusqu'ici, il existait deux techniques pour analyser de près les matériaux cristallins contenant des imperfections, avec chacune leurs limites. D'un côté, la « diffraction des rayons X » classique (2), qui permet d'acquérir, en 2D et sans abîmer l'échantillon, des informations sur les  défauts de régularité dans l'échantillon, mais avec une résolution limitée de l'ordre du micromètre (10-6 m). Et de l'autre côté, la microscopie électronique en transmission (MET) dotée d'une bien meilleure résolution (10-10 m), fournissant une « vraie » image du cristal, mais destructive.

La technique développée par Virginie Chamard, chercheur CNRS à l'institut Fresnel et ses collègues surmonte les limitations de ces deux méthodes en cumulant leurs avantages : elle produit des images 3D haute résolution - de quelques dizaines de nanomètres (10-9 m) -, sans détruire l'échantillon, et apporte autant d'informations que la diffraction classique des rayons X. De plus, elle permet d'analyser des régions très étendues, potentiellement infinies. Concrètement, cette nouvelle technique consiste à focaliser, sur l'échantillon à analyser, un faisceau de rayons X microscopique, produit par un synchrotron (3). Dans ces travaux, les chercheurs ont utilisé le synchrotron européen (ESRF) de Grenoble. Pendant que le faisceau balaie l'échantillon, un détecteur capte l'intensité des rayons X « diffractés » (déviés) par l'échantillon et permet, ainsi, d'acquérir une série de « clichés de diffraction ». Ceux-ci sont ensuite traités par un algorithme, qui produit une image 3D de l'ensemble de l'échantillon avec des détails plus petits que la largeur du faisceau.

Les bases de cette technique dite « ptychographie » ont été imaginées en 1969 par le physicien allemand Walter Hoppe. Celui-ci y songea dans un autre but : améliorer la résolution du microscope électronique. Virginie Chamard et son équipe ont dû les adapter à l'imagerie des cristaux. Un travail qui a nécessité trois ans.

Mettre au point un tel procédé était crucial pour relever plusieurs grands défis tant scientifiques que technologiques  comme par exemple comprendre la croissance des coquillages, contrôler les propriétés optiques des semi-conducteurs ou améliorer les performances électriques des métaux (les coquillages, les semi-conducteurs et les métaux étant des matériaux cristallins complexes).

Notes :
(1) Matériaux formés d'un arrangement d'atomes ou de molécules répétitif dans les trois directions de l'espace.
(2) Technique qui mesure l'intensité d'un faisceau de rayons X dévié par l'échantillon.
(3) Source de rayons X extrêmement brillants, produit par des électrons circulant dans un accélérateur à haute énergie.

Références :
Three-dimensional high-resolution quantitative microscopy of extended crystals, P. Godard et col., Nature Communications, 29 novembre 2011.

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