La spintronique dans les capteurs spaciaux et dans les lasers

L’étude des envi­ron­nements mag­nétisés du sys­tème solaire s’intéresse aux plas­mas naturels du système.

C’est une branche des sci­ences spa­tiales encore peu con­nue du grand pub­lic qui intéresse le Lab­o­ra­toire physique et plas­mas de l’École poly­tech­nique (LPP).

Instruments dans l’espace

À par­tir de la deux­ième moitié du XX^e siè­cle, avec l’avènement de la con­quête spa­tiale, cette dis­ci­pline s’est dotée d’une branche expéri­men­tale poussée.

Le lance­ment des pre­mières son­des spa­tiales d’exploration du sys­tème solaire a per­mis d’embarquer des instru­ments dont les mag­né­tomètres spa­ti­aux à car­ac­tère vec­to­riel. Ces derniers per­me­t­tent aux chercheurs d’étudier, in situ, les inter­ac­tions élec­tro­mag­né­tiques entre notre étoile et les mag­né­tosphères des planètes du sys­tème solaire.

Dans ce cadre, la réal­i­sa­tion d’instruments embar­qués capa­bles d’évoluer dans un envi­ron­nement hos­tile et présen­tant une grande sen­si­bil­ité de mesure lance un défi. Aujourd’hui, les mag­né­tomètres de type induc­tif demeurent les prin­ci­paux mag­né­tomètres vec­to­riels embar­qués en rai­son de leur robustesse et de leur qual­ité métrologique.

Mais l’électronique de spin, à l’origine d’une réelle rup­ture tech­nologique, pour­rait bien­tôt bous­culer cette hiérar­chie. On pour­rait con­cevoir une nou­velle généra­tion de mag­né­tomètres spa­ti­aux à la sen­si­bil­ité com­pa­ra­ble à l’état de l’art actuel mais offrant un gain jamais atteint en ter­mes d’encombrement, de con­som­ma­tion et d’intégration.

Cartographier la planète Mars

Le choix d’un cap­teur comme élé­ment d’un instru­ment embar­qué réside dans son poten­tiel à présen­ter à la fois un encom­bre­ment réduit, une robustesse (résis­tance à la tem­péra­ture ou aux radi­a­tions) et une sen­si­bil­ité au champ mag­né­tique satisfaisantes.

“ Un gain jamais atteint en termes d’encombrement, de consommation et d’intégration ”

La recherche active en physique du solide per­met d’afficher un réel opti­misme en vue d’améliorer dans un proche avenir la sen­si­bil­ité au champ mag­né­tique des cap­teurs à voca­tion de mag­né­tométrie spatiale.

À bord de son­des spa­tiales, ces cap­teurs per­me­t­tront l’étude fine des phénomènes de tur­bu­lence dans le vent solaire ou encore de sur­veiller l’activité mag­né­tique du soleil. Embar­qués sur des véhicules, ils per­me­t­tront de réalis­er une car­togra­phie mag­né­tique du sol martien.

Télécommunications à grande distance

Les con­cepts pour l’utilisation du spin des élec­trons comme vecteur d’une infor­ma­tion binaire sur de grandes dis­tances ne man­quent pas. Ils intéressent le Lab­o­ra­toire des solides irradiés de l’École poly­tech­nique (LSI).

On peut citer les lasers à spin qui se décli­nent dans un sys­tème tout-solide sous le terme générique anglais de spin-vec­sel (spin ver­ti­cal exter­nal cav­i­ty emit­ted lasers).

Cette nou­velle généra­tion de dis­posi­tifs optiques pour­suit trois objec­tifs : le stock­age d’une infor­ma­tion binaire par le biais de l’aimantation d’un film nanométrique, le codage de l’information sous forme d’une onde élec­tro­mag­né­tique cohérente de polar­i­sa­tion cir­cu­laire, et l’écri­t­ure de cette infor­ma­tion par le biais d’un champ mag­né­tique ou par un courant d’électron polar­isé par trans­fert du moment angulaire.

Les avan­tages des lasers à spin sont, en plus de la cohérence lumineuse, la direc­tiv­ité du fais­ceau lumineux et la puis­sance lumineuse par unité de sur­face. En plus du codage binaire, leurs avan­tages vis-à-vis des lasers solides con­ven­tion­nels rési­dent dans la réduc­tion du seuil laser et dans l’augmentation de la bande pas­sante pour les télécommunications.

En haut à gauche : struc­ture d’une diode de spin élec­tro­lu­mi­nes­cente (Spin-LED) à injecteur de spin per­pen­dic­u­laire (PMA) de type jonc­tion tun­nel CoFeB/MgO et à émis­sion normale.
En haut à droite : car­ac­téris­tique tun­nel I(V) de la jonc­tion tun­nel pour le pom­page élec­trique de spin dans le ½ Vecsel.
En bas à droite : émis­sion spon­tanée ampli­fiée par pom­page élec­trique de spin à tra­vers la bar­rière tunnel.
THALES RESEARCH & TECHNOLOGY ET CNRS/THALES, PALAISEAU FRANCE.

Sélectionner les spins

La brique sub­tile et essen­tielle de tels dis­posi­tifs con­cerne le trans­fert de la mémoire de spin du nano-aimant solide en film mince vers la polar­i­sa­tion cir­cu­laire de l’onde lumineuse laser émise. Un spin-laser se présente dans le détail sous la forme d’un ensem­ble d’empilement de couch­es de semi­con­duc­teurs dits III‑V (GaAs, AlAs, InGaAs).

“ Polarisation, cohérence et directivité du faisceau lumineux ”

On dis­cerne trois régions dis­tinctes : une région de type n dopée en élec­trons, une région intrin­sèque com­prenant plusieurs puits quan­tiques (zone active) et une région inférieure de type p dopée en trous. L’injection d’un courant de spin depuis le con­tact mag­né­tique vers la zone n de la diode, puis vers la zone active va per­me­t­tre une recom­bi­nai­son élec­trons polar­isés-trous (exci­tons) pour céder un moment angu­laire au pho­ton émis.

Le principe de cette opéra­tion repose égale­ment sur l’idée que le matéri­au mag­né­tique per­met de sélec­tion­ner ou de fil­tr­er plus effi­cace­ment une caté­gorie de spin au détri­ment de l’autre.

On con­naît déjà des appli­ca­tions dans les mémoires solides con­ven­tion­nelles (indus­trie élec­tron­ique portable). Cette pro­priété pour­rait égale­ment être mise à prof­it pour la réal­i­sa­tion d’un spin-vec­sel encore plus performant.

L’ensemble des principes physiques rapi­de­ment exposés ici et util­isés dans les dis­posi­tifs spin­tron­iques actuels et futurs jus­ti­fie très ample­ment les inves­ti­ga­tions et les études les plus fon­da­men­tales pro­posées aujourd’hui dans les lab­o­ra­toires de recherche.

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