Spintronique hybride

L’électronique de spin, qui fonctionne grâce à l’état quantique qu’est le spin de l’électron, opère jusqu’à la nano-échelle et bénéficie déjà d’une pénétration industrielle dans les technologies de l’information et de la communication (TIC ; tetes de lecture de disque dur ; mémoires non-volatiles ultrarapides et robustes ; calcul bio-inspiré…). La spintronique représente ainsi un axe technologique prometteur pour réaliser des applications industrielles de physique quantique basée sur le spin et la symétrie orbitalaire de l’électron.

L’equipe ‘Spintronique Hybride’ travaille sur l’intégration de nanoobjets quantiques au sein de dispositifs de spintronique, vers les TIC ainsi que l’énergie renouvelable (voir www.spinengine.tech). Ces nanoobjets sont des molécules fonctionnelles, ou encore des lacunes d’oxygène dans la barrière tunnel du dispositif. Ceci requiert A) des études fondamentales, par exemple sur les propriétés émergentes à l’interface métal ferromagnétique/molécule ; et B) des avancées technologiques dépassant l’état-de-l’art.

Pour ce faire, l’équipe développe et opère une chaine de recherche innovante comprenant :

1) des moyens de croissance et de caractérisation d’hétérostructures métal/molécule ;

2) des micro- et nano-technologies afin de façonner des dispositifs de spintronique hybride (en partie réalisées sur la plateforme technologique STNano);

3) des moyens de mesures de transport électrique sous stimuli externes (température, champ magnétique, lumière). Son expertise en rayonnement synchrotron lui permet de sonder les propriétés électroniques de ces hétérostructures, et de tester des dispositifs in operando.

ACTIVITES

Dispositifs multifonctionnels

Intégrer des espaceurs fonctionnels, tels que la propriété ferroélectrique de molécules, au sein de dispositifs spintronique est un moyen d’obtenir un dispositif multifonctionnel, c’est-à-dire un dispositif dont l’état (ex : la résistance) dépend de l’historique de stimuli externes (champ électrique, lumière, température, champ magnétique, etc…). Ceci concerne l’axe des Sciences et Technologies de l’Information et de la Communication.

Récolte énergétique

Notre équipe développe une nouvelle méthode afin de récolter les fluctuations thermiques de la température ambiante grâce à la spintronique. Nos dispositifs intègrent les centres paramagnétiques de matériaux oxydes et moléculaires au sein de dispositifs de spintronique. Ceux-ci sont aussi dotés d’électrodes qui sélectionnent un canal de spin de transport électrique. Pour ceci, des spinterfaces sont utilisées (voir ci-dessous). Voir www.spinengine.tech pour plus de détails.

Coin presse

Nous avons développé un nouveau procédé nanotechnologique afin d’étudier le transport polarisé en spin au travers d’une chaîne de spin moléculaire au sein d’un dispositif tout-solide. Exciter la chaîne de spin électriquement depuis son etat quantique fondamental génère un signal de magnétorésistance spécifique. Cet encodage quantique de l’information pose les bases d’une transmission de l’information quantique. Adv. Func. Mater. 2009467 (2021).  Savoir Magazine

Le site www.spinengine.tech décrit le concept de récolte de fluctuations thermiques par voie spintronique pour le monde académique et le grand public.

Nous avons observé la génération spontanée de puissance électrique à partir d’un seul dispositif de spintronique à température ambiante. Dans ce ‘moteur à spin’, les fluctuations thermiques de centres paramagnétiques sont récoltées de manière spintronique. Ces travaux démontrent aussi que le courant traversant une spinterface est fortement polarisé en spin. Commun. Phys., 2 116 (2019). CNRS News. , Unistra News. , www.spinengine.tech

Nous avons démontré de manière factuelle que la propriété moléculaire de transition de spin est impliquée dans le transport électrique, grâce à des expériences in operando au synchrotron. ACS Appl. Mater. & Int., 10 31580 (2018). Soleil Highlight 2018.

Nous avons utilisé la sensibilité chimique de la spectroscopie d’absorption de rayons X d’un synchrotron afin de sonder les atomes actifs d’un dispositif en opération. Adv. Mater., 1606578 (2017)CNRS News

Nous avons démontré comment moduler électriquement le magnétisme de l’interface métal ferromagnétique/molécule, cad la ‘spinterface’. Adv. Func. Mater., 1700259 (2017). Soleil Highlight 2017.

Nous avons trouvé la méthode la plus simple pour obtenir une source de courant fortement polarisée : créer une interface entre un métal ferromagnétique et des atomes de carbone. Carbon 87, 269 (2015). CNRS News.

Nano-objets quantiques

La ‘spinterface’

L’interface entre un metal ferromagnetique et une molecule peut presenter des propriétés émergentes que l’on surnomme la ‘spinterface’. La spinterface se manifeste par une faible densite d’etats fortement localises et fortement polarises en spin au niveau de Fermi. Nous avons récemment démontré que le courant traversant la spinterface est fortement polarisé en spin à température ambiante. Ces propriétés font de la spinterface un outil essentiel afin d’adresser les états quantiques de spin d’autres nano-objets au sein de nos dispositifs de spintronique.

Chaines de spin moléculaires

La formation de la spinterface peut modifier les proprietes electroniques du metal et de la molecules qui la forment. L’anisotropie magnetique d’un metal ferromagnetique peut s’en trouver fortement modifiée. Un métal non-magnétique peut le devenir. L’aimantation de la couche moléculaire d’interface peut être étendue dans le film moléculaire grâce aux interactions magnétiques entre molécules. Ceci permet à la spinterface de stabiliser l’aimantation de chaines de spin paramagnétiques portées par les molécules. Ici, nous utilisons des molécules planaires de phthalocyanine dotées d’un site central paramagnétique. L’ordre peut être ferromagnétique ou antiferromagnétique. Nous étudions comment adresser spintroniquement les états quantiques fondamental et excité de ces chaines de spin grâce à des nanojonctions moléculaires. Ces molécules sont aussi utilisées pour étudier la récolte spintronique de fluctuations thermiques.

Molécules à transition de spin

Le site central magnétique d’une molécule à transition de spin peut être commuté d’une configuration électronique bas-spin vers haut-spin par des stimuli externes (lumière, température, champ électrique…). C’est ainsi un candidat prometteur pour contrôler la performance d’un dispositif de spintronique. Nous avons démontré que cette fonctionnalité moléculaire est, de manière factuelle, impliquée dans le transport électrique grâce à une expérience in operando au synchrotron. L’étape suivante est d’intégrer cette classe de molécules dans des nanojonctions spintroniques. Pour ce faire, nous faisons fructifier de la recherche fondamentale (ici et ici) permettant d’obtenir des spinterfaces avec un métal noble afin de ne pas geler la transition de spin moléculaire.

Molécules ferroélectriques

Puisque le transfert de charge polarise en spin soutend la formation de la spinterface, il est possible de modifier les propriétés de la spinterface grâce à des molécules ferroélectriques. Afin d’augmenter cet effet, notre équipe optimise les propriétés structurales de la spinterface grâce à des molécules d’acide croconique, afin d’intégrer cette spinterface au sein de nanojonctions spintroniques. Cette méthode d’assembler un magnétoélectrique artificiel ressemble aux efforts de la communauté des oxydes corrélés, mais bénéficie du transfert de charge conséquent porté entièrement par les plans d’interface, et s’affranchit des questions de migration d’oxygène.

Lacunes d’oxygène et centres paramagnétiques

Le contrôle des lacunes d’oxygène dans les oxydes fonctionnels de l’électronique de demain reste un défi d’actualité. Nous examinons comment les lacunes d’oxygène dans l’oxyde ‘simple de MgO déterminent la performance spintronique de jonctions tunnel magnétiques. Nos résultats expérimentaux et théoriques (ici et ici) indiquent que les lacunes simple et double peuvent expliquer la combinaison de forte performance spintronique, de faible hauteurs de barrière tunnel et de conduction métallique selon l’état magnétique de la jonction. Nous examinons l’impact de ces nano-objets sur le ‘spin transfer torque’, un effet physique clé pour les technologies spintroniques. Combler ces lacunes par des atomes de C génère des centres paramagnétiques, sur lesquels on peut récolter les fluctuations thermiques de manière spintronique.

Equipement Expérimental

Le long de la chaine de recherche: des études fondamentales d’interfaces aux hétérostructures aux dispositifs aux mesures multifonctionnelles

Croissance & Caractérisation

Cluster multichambre hybride

Un outil de dépôt ultravide (UHV) de métaux, molécules et oxydes par évaporation thermique et pulvérisation cathodique. Les hétérostructures utilisées pour façonner des nanojonctions moléculaires sont élaborées ici.

Station UHV Multiprobe

Equipement Omicron à température variable permettant de sonder les surfaces et bicouches de manière locale par diverses techniques (AFM, AFM conducteur, MFM, PFM, STM). L’interconnxion UHV avec l’ ‘Hybride’ est en cours.

Réflection polarisée en spin d’électrons

Equipement UHV pour sonder les propriétés de polarisation de spin de films minces et d’interfaces. Etudes de base des spinterfaces.

Rayonnement synchrotron

Notre équipe possède l’expertise pour mener des campagnes de rayonnement synchrotron lors desquelles des échantillons fabriqués sur place sont sondés par ‘X-ray absorption spectroscopy’ (XAS), photoémission polarisée en spin et STXM.

Fabrication de dispositifs

Lithographie UV

L’équipe implémente un procédé technologique qui façonne des hétérostructures en piliers de ~10 microns de diamètre afin d’effectuer des mesures de magnétotransport. Ce procédé est compatible avec les oxydes corrélés.

Nanojonctions moléculaires verticales

Puisque la plupart des molécules peuvent se degrader en présence de solvents et résines, notre équipe a développé un procédé sans résines et solvents qui conditionne des hétérostructures entières (en préservant ainsi des interfaces de qualité UHV) en nanojonctions verticales. Ceci est une capacité unique au niveau mondial.

Mesures multifonctionnelles

Banc MultiFonctionnel (BMF)

Notre équipe a développé un banc de mesures électriques autour d’un cryostat cryo-free doté des caractéristiques suivantes : T : 10-350K, jusqu’à H=2T aligné ou non avec le plan de l’échantillon et l’axe optique, lasers continus et pulsés (ns) sur la gamme 200-2600nm, caméra spectroscopie résolue à la ns ; signal/réponse électrique à la ns.

Insert électrique V2TI sur la ligne DEIMOS du Synchrotron SOLEIL

Notre équipe a contribué au développement d’un insert électrique sur la ligne de lumière DEIMOS du Synchrotron SOLEIL. It est alors possible d’implémenter la sensibilité chimique et magnétique de ‘X-ray absorption spectroscopy (XAS) sur des matériaux soumis a des stimuli électriques (ex : des spinterfaces), ou même des dipositifs in operando pour en sonder les atomes actifs.

Les membres de l’équipe

Maître de conférences, Magnétisme des objets nanostructurés (DMONS)Samy.Boukari@ipcms.unistra.fr
Tél: +33(0)3 88 10 70 08Bureau: 0009
Directeur de Recherche, Magnétisme des objets nanostructurés (DMONS)Martin.Bowen@ipcms.unistra.fr
Tél: +33(0)3 88 10 70 92Bureau: 0011
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Ingénieur de Recherche, Magnétisme des objets nanostructurés (DMONS)Victor.Dacosta@ipcms.unistra.fr
Tél: +33(0)3 88 10 70 65Bureau: 1004
Ingénieur de Recherche, Magnétisme des objets nanostructurés (DMONS)Benoit.Gobaut@ipcms.unistra.fr
Tél: +33(0)3 88 10 70 92Bureau: 0011
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Ingénieur de Recherche, Magnétisme des objets nanostructurés (DMONS)Loic.Joly@ipcms.unistra.fr
Tél: +33(0)3 88 10 72 57Bureau: 1008
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Ingénieur d'Etude, Magnétisme des objets nanostructurés (DMONS)Christophe.Kieber@ipcms.unistra.fr
Tél: +33(0)3 88 10 70 19Bureau: 0023
Doctorant, Magnétisme des objets nanostructurés (DMONS)mathieu.lamblin@ipcms.unistra.fr
Tél: +33(0)3 88 10 70 84Bureau: 1017
Professeur, Magnétisme des objets nanostructurés (DMONS)Wolfgang.Weber@ipcms.unistra.fr
Tél: +33(0)3 88 10 70 87, +33(0)3 88 10 70 02Bureau: 1048
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Doctorant, Magnétisme des objets nanostructurés (DMONS)talha.zafar@ipcms.unistra.fr
Tél: +33(0)3 88 10 70 77Bureau: 1017

Anciens membres

Eric Beaurepaire, décédé en Avril 2018.
Jacek Arabski, retraite en 2020.

DJ Kim, Postdoc at U. Warwick
S. Shi, postdoc at U. Linkoping
R. Rakshit, Scientist at CSIR-National Physical Laboratory, India
S. Javaid, Researcher at Pakistan Institute of Nuclear Science & Technology
JB Beaufrand, private sector
F. Schleicher, engineer at IMEC
H. Jabbar, professor at U. Basrah, Iraq
V. Davesne, private sector
M. Gruber, researcher at U. Kiel, Germany
U. Halisdemir, postdoc at U. Twente, Netherlands
M. Studniarek, private sector
E. Urbain, private sector
K. Katcko, engineer at IMEC

B. Chowrira, engineer at IMEC

L. Kandpal, postdoc Muduli group, New Delhi

Brevets

– 04/2012 : SOURCE DE COURANT POLARISEE EN SPINS, M. Bowen, W. Weber, L. Joly, E. Beaurepaire, F. Scheurer, S. Boukari, M. Alouani, FR 2012/ 12 53564 & PCT/EP2013/057804 & WO2013156441A1.

– 04/2012 : DISPOSITIF INJECTEUR DE SPINS COMPORTANT UNE COUCHE DE PROTECTION EN SON CENTRE, M. Bowen, M. Alouani, S. Boukari, E. Beaurepaire, W. Weber, F. Scheurer, L. Joly, FR 2012/ 12 53569 & PCT/EP2013/057769 & WO2013156426A1.

– 11/2012 : KIT DE CONNEXION D’UN COMPOSANT MICROELECTRONIQUE CONTRE DES DECHARGES ELECTROSTATIQUES LORS DE SA CONNEXION A UN DISPOSITIF CONDUCTEUR, M. Bowen, B. Leconte, D. Spor, FR 2012/12 60606 & PCT/ EP2013073174 & WO2014072347 A1.

– 11/2012 : DISPOSITIF DE POMPAGE, COMPRENANT UN ENSEMBLE DE POMPES EN SERIES ET UN ELEMENT DE COMMUTATION COMMUN, M. Bowen, C. Kieber, S. Boukari, FR 2012/12 60672 & PCT/ EP2013073344 & WO2014072452A1.

– 08/2014: PROCESS OF DETECTION OF LIGHT AND ASSOCIATED DEVICE, M. Bowen, U. Halisdemir, F. Schleicher, S. Boukari, E. Beaurepaire, EP14180354 & EP 2982950 A1 & WO2016020243A1.

Publications récentes :

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G. Avedissian, J. Arabski, J.A. Wytko, J. Weiss, C. Mény, Probing the Growth of Organic Molecular Films Embedded between Cobalt and Iron Electrodes: Ferromagnetic Nuclear Resonance Approach, Advanced Functional Materials. 2005605 (2020) 1–6. https://doi.org/10.1002/adfm.202005605.
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G. Avedissian, J. Arabski, J.A. Wytko, J. Weiss, C. Mény, Revealing the morphology and the magnetic properties of single buried cobalt-ZnTPP hybrid interfaces by ferromagnetic nuclear resonance spectroscopy, Physical Review B. 102 (2020) 184114. https://doi.org/10.1103/PhysRevB.102.184114.
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C. Bigi, S.K. Chaluvadi, A. Galdi, L. Maritato, C. Aruta, R. Ciancio, J. Fujii, B. Gobaut, P. Torelli, I. Vobornik, G. Panaccione, G. Rossi, P. Orgiani, Predominance of z(2)-orbitals at the surface of both hole- and electron-doped manganites, Journal of Electron Spectroscopy and Related Phenomena. 245 (2020) 147016. https://doi.org/10.1016/j.elspec.2020.147016.
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