Etudes par microscopie en champ proche des phénomènes de ...

Chapitre II – Concepts généraux autour de l’électronique de spindiffuse les électrons de spin opposés dans deux directions, donnant naissance à un courant pur de spin,sans courant de charge associé. Les auteurs ont ainsi mesuré en microscopie Kerr une accumulation despin aux bords de l’échantillon. Cet effet peut être annulé en présence d’un champ magnétiqueextérieur (effet Hanle).Cette expérience est la première montrant un effet de filtre à spin sur un système tout solide basé sur laséparation spatiale des spins.2.A.2. Filtres à spin agissant sur la variable « temps »L’autre classe importante de filtres à spin est basée sur la séparation dans le temps ou en énergie d’unfaisceau d’électrons polarisés. En général, le fonctionnement de ces filtres à spin repose surl’interaction d’échange. L’interaction d’échange est responsable dans les métaux ferromagnétiques del’existence d’un libre parcours moyen inélastique qui dépend du spin [Pierce74, Pappas91, Gröbli95,Drouhin96, Oberli98, Weber01]. L’ensemble de ces expériences a montré que le libre parcours moyeninélastique est plus grand pour les spins majoritaires que pour les spins minoritaires. La raison est quele nombre d’états vacants vers lequel un électron de spin minoritaire peut être diffusé est plus grandque pour un électron majoritaire [Penn85].Le fonctionnement de ces filtres à spin consiste alors dans un premier temps à séparer en énergie desélectrons en fonction de leur spin (via un libre parcours moyen inélastique dépendant du spin) et dansun second temps, à les sélectionner en énergie par une barrière de potentiel (comme la barrière deSchottky dans une jonction métal/SC, ou le niveau du vide dans une feuille auto-supportée).Ce résultat peut-être vu comme la conséquence de la séparation en temps des spins. En effet, lenombre de collisions inélastiques, ou de façon équivalente l’énergie perdue au cours des processus derelaxation, croit avec le temps passé dans la structure magnétique.Si le temps de vie des électrons dépend du spin on pourra alors définir très généralement des↑ ↓temps de traversée du filtre à spin différents pour les deux orientations de spin : τ etτ. Lerôle de l’interface (via la barrière de potentiel) est d’introduire un temps de discriminationτDqui agit en quelque sorte comme un « filtre passe bas » en temps.Le fonctionnement du filtre à spin est alors schématiquement le suivant : tous les électrons qui mettentun temps τ < τDà franchir le filtre à spin, seront collectés et mesurés en dehors du filtre à spin.Inversement, tous les électrons qui mettent un temps τ > τDà le traverser auront perdu trop d’énergieet ne seront pas collectés (ils seront mesurés dans le filtre à spin).Il s’agit donc par nature d’un dispositif à trois terminaux.En conclusion, le filtre à spin a une double fonction : d’une part discriminer en spin un courantd’électrons et d’autre part sélectionner dans le temps les électrons rapides qui ont parconséquent peu séjourné dans le filtre à spin (et donc peu relaxé leur spin).2.A.3. Comparaison du transport à E F et au-dessus de E F .Les filtres à spin que nous venons de présenter et les dispositifs usuels de l’électronique de spin sedifférencient donc par un mode de fonctionnement différent, mais la physique qui les gouverne estégalement très différente. Le fonctionnement des dispositifs au niveau de Fermi est dicté par desprocessus essentiellement diffusifs et proche de l’équilibre. Les difficultés rencontrées (de naturetechnologique et théorique) sont alors multiples : polarisation des électrodes, temps de séjour longs,problèmes d’interfaces et de désaccord de conductivité entre matériaux magnétiques et nonmagnétiques.Pour comprendre les dispositifs à spin à électrons chauds, il est souvent plus simple d’oublier ce quel’on sait sur la physique « au niveau de Fermi », car les contraintes imposées par les processusproches de l’équilibre disparaissent pour des électrons loin de l’équilibre. En particulier, le fluxd’électrons, ou le courant de spin, ne provient pas d’un gradient de potentiel électrochimique, maisuniquement de leur énergie cinétique. Par ailleurs, ces filtres à spin reposent sur le transport17