1.2M - CEA Inac

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LAFEUILLE
R O U G E
N° 545 - Septembre 2008
Au sein de la PTA (Plateforme Technologique Amont), nous maîtrisons
désormais de bout en bout toutes les étapes de réalisation de nano
piliers magnétiques. Une autonomie qui fait de cette filière de fabrication
dédiée un outil de choix à l’échelle grenobloise dans l’étude de ces
structures, briques de base de la spintronique.
Celles-ci se présentent sous forme de piliers dont la résistance électri-
que varie avec leur état magnétique. La mise au point de ces dispositifs
nécessite une vingtaine d’étapes de réalisation et de caractérisation. La
PTA offre une grande souplesse puisqu’elle permet de travailler avec un
masqueur sur des échantillons de petite taille avec un temps de réalisa-
tion inférieur à deux semaines. Grâce à cela, la PTA a permis à Spintec,
au Leti et à Crocus-Technology de développer en collaboration et en
moins de quatre mois une filière complète standard en 200 mm, dédiée
à la fabrication et la caractérisation de ces nanopiliers. Les principales
difficultés techniques surmontées ont été : la conservation d’un profil de
gravure régulier sur toute la hauteur du pilier et la prise de contacts sur
les plots. En effet, un nouveau procédé planarisant, dont l’efficacité est
d’autant meilleure que la taille des échantillons diminue, a remplacé la
technique standard qui devenait difficile pour de petits échantillons.
Un premier lot vient ainsi d’être fabriqué, embarquant des réseaux
de plots (figure de gauche) dont
les caractérisations électriques ont
révélé un niveau de signal corres-
pondent parfaitement à la valeur
attendue : 140% de variation de
résistance entre deux états. La figure
de droite montre les plots contactés
électriquement pour la caractérisa-
tion. L’optimisation des étapes de
lithographie et de gravure permet-
tra à très court terme de lancer de
nouveaux lots avec des tailles de piliers inférieures à 50 nm.
Nous venons de développer un dispositif capable de mesurer à basse
température la dilatation thermique d’un échantillon sous des pressions
pouvant atteindre 3 GPa soit 30000 fois la pression atmosphérique. Sa
résolution (5×10
-7
) dépasse d’un ordre de grandeur celle des meilleurs
diffractomètres de rayonnement synchrotron.
Les composés magnétiques à fortes corrélations électroni-
ques nous donnent l’opportunité d’étudier de nouveaux états de
la matière dans lesquels les fluctuations quantiques dominent
l’agitation thermique. Grâce à la faiblesse des énergies mises en
jeu, appliquer une pression permet d’abaisser
leur température de transition magnétique jusque
vers le zéro absolu et donc de limiter les fluctua-
tions thermiques. Caractériser l’ordre de la transi-
tion de phase magnétique et son évolution avec la
pression est alors essentiel. C’est ce que permet la
mesure de la dilatation thermique que nous tirons
de la variation de résistance d’un conducteur collé
à l’échantillon. Une transition du premier ordre
est généralement associée à une discontinuité
de volume, donc à un saut dans la mesure de la dilatation, qui
n’existe pas pour une transition du second ordre.
Le cas du composé CeRh2Si2 est particulièrement révélateur:
il présente une transition paramagnétique-antiferromagnétique
(PM-AF) à 36 K sous pression atmosphérique, mais l’ordre de la
transition était inconnu au-dessus de 1 GPa. L’encart de la figure
montre que l’ordre de la transition change vers 1,15 GPa.
Cette technique est aisément incorporable dans d’autres expé-
riences. Nous l’avons récemment mise en oeuvre en diffusion de
neutrons.
Diagramme de phase pression-température
de Néel (TN) du composé CeRh2Si2. La
température de la transition PM- AF est
déduite des mesures de dilatation thermique
montrées en encart. Les points verts (noirs)
indiquent une transition de phase du premier
(second) ordre.
CeRh2Si2 SOUS PRESSION : QUEL ORDRE ?
Contact : Alain Villaume – SPSMS – [email protected]
magnétisme
NANOPILIERS MAGNÉTIQUES MADE IN PTA
Contact : Ricardo Sousa – SPINTEC – [email protected]
spintronique
AIMANT
MOLECULAIRE ET
CALCUL QUANTIQUE :
C’EST COHERENT !
Prenez 15 atomes de vanadium,
formez une petite boule, épicez
d’arsenic, enrobez…
Au verso

LA FEUILLE ROUGE - N° 545 Septembre 2008
Comité de rédaction : E. Molva, J. Planès (DIR), P. Dalmas de Réotier (SPSMS), L. Dubois (SCIB), H. Mendil-Jakani (SPRAM),
G. Prenat (SPINTEC), R. Vallcorba (SBT), P. Warin (SP2M) - Mise en page : M. Benini (DIR) tél. [phone]
INSTITUT NANOSCIENCES ET CRYOGÉNIE
Commissariat à l’Énergie Atomique - Direction des Sciences de la Matière - Centre de Grenoble - inac.cea.fr
L’unité de calcul et de stockage de l’informa-
tion quantique s’appelle qubit (voir encart). Sa
matérialisation est l’objet de recherche de nom-
breux groupes. Dans le cadre de cette étude, le
qubit utilisé est un aimant moléculaire. Une telle
molécule est composée d’ions magnétiques forte-
ment couplés qui se comportent comme un spin
collectif. Avantage par rapport à d’autre qubits
: les molécules sont toutes rigoureusement identi-
ques. Cette molécule aimant (Fig.1) est un dérivé
contenant 15 atomes de vanadium en interaction
magnétique. Dans notre cas, seuls les états de
spin de plus basses énergies (S=1/2 et S=3/2)
sont étudiés. Le point fort de notre molécule
aimant est qu’elle est isolée des interactions avec
le monde extérieur par une « coque » de sur-
factant spécialement conçue pour l’occasion, ce
qui permet d’aller sonder des phénomènes aussi
fugaces que les oscillations de Rabi (voir encart).
En effet, la décohérence est due aux interactions
avec l’environnement. Elles peuvent provenir de
différentes sources (interaction entre spins électro-
niques par exemple), mais à basse température,
ce sont les interactions spin électronique – spin
nucléaire qui prédominent. C’est ce qu’a montré
quantitativement l’équipe en calculant l’influence
des 15 spins nucléaires (7/2) des atomes de
vanadium sur le temps de décohérence et le résul-
tat obtenu est en bon accord avec l’observation
réalisée à 4K.
La perturbation s’éloigne
Pour remédier à cette décohérence, il «suffit»
ainsi de se débarrasser des spins nucléaires par
sélection isotopique ou utiliser un autre aimant
moléculaire dont le spin nucléaire de ses consti-
tuants serait nul. Une autre difficulté pour réaliser
un dispositif quantique est d’arriver à minimiser
les interactions dipolaires et leur longue portée.
Ces interactions font que les molécules aimants
utilisées s’influencent mutuellement avec pour
conséquence une perturbation des différents
états du système. Pour résoudre ce problème,
dans notre expérience, il suffisait de disperser
les molécules dans le solvant. Mais dans un vrai
système d’autres solutions doivent être envisa-
gées. On peut ainsi imaginer travailler sur une
molécule unique, ou alors organiser ces objets
selon un réseau particulier. A l’heure actuelle, le
laboratoire envisage d’étudier ces deux pistes,
mais quelle que soit la solution retenue, il devrait
être possible d’obtenir des temps de cohérence
de l’ordre de 100 microsecondes.
Contact : Serge Gambarelli – SCIB – [email protected]
information quantique
AIMANT MOLÉCULAIRE ET CALCUL QUANTIQUE : C’EST COHÉRENT !
La compréhension des phénomènes gouvernant la réalisation d’un ordinateur quantique en est aujourd’hui à ces balbutiements. Un des obstacles
fondamentaux pour réaliser un tel calculateur quantique s’appelle la décohérence : en quelque sorte se tromper dans le calcul parce qu’un courant d’air
ou un visiteur inopportun a perturbé le travail collectif et harmonieux des neurones quantiques. Le SCIB et ses partenaires à l’Institut Néel, en Allemagne
et en Israël ont repoussé l’obstacle par deux pas décisifs : ils ont montré qu’un aimant moléculaire à base d’ions vanadium présentait une oscillation de
Rabi (signature de la cohérence du système) sur environ 1 microseconde. Ils ont aussi démontré pour la première fois que les visiteurs les plus dérangeants
dans ce système sont les spins nucléaires puisqu’ils sont principalement responsables de la décohérence. Ceci permet d’envisager des solutions pour s’en
affranchir et atteindre des temps de cohérence suffisamment longs pour le calcul quantique.
Qubit
Un qubit peut être composé de n’im-
porte quel objet physique de taille suffi-
samment faible pour que ses propriétés
(optiques, électroniques, magnétiques
etc.…) soit gérées selon les lois de la
mécanique quantique. Plusieurs de ces
qubits en interaction devraient permet-
tre de réaliser un ordinateur quantique,
c’est-à-dire un ordinateur où les opéra-
tions et les données seraient effectuées
et stockées en utilisant les propriétés
particulaires liés à des objets quantiques.
Par exemple de tels objets peuvent exister
simultanément dans deux états différents,
comme le fameux chat de Schrödinger,
à la fois vivant et mort. Couplé à des
algorithmes de calcul adaptés, de tels
ordinateurs devraient (il n’en existe encore
aucun à l’heure actuelle) être capables de
réaliser certaines opérations beaucoup
plus rapidement que les ordinateurs non
quantiques (factorisation en nombres pre-
miers…).
Oscillations de Rabi
Lorsque l’on place des spins dans un
champ magnétique, ils s’alignent parallèlement
à celui-ci. En « éclairant » ce système avec des
photons d’énergie bien précise, l’orientation des
spins oscille (en fonction du temps d’excitation)
entre plusieurs positions (équivalent d’un pulse
en RMN). Le physicien mesure la projection de
ces positions selon l’axe du champ magnétique
en fonction du temps, et il observe une courbe
sinusoïdale. Pour un système totalement isolé,
ces oscillations devraient perdurer indéfiniment
; dans les systèmes « réels » les spins cessent
progressivement de travailler collectivement et
perdent leur cohérence. Ceci ce traduit sur la
courbe par une diminution de l’intensité du
signal en fonction du temps.
Fig.1 : La molécule aimant est précisement
l’anion [V
15
As
6
O
42
(H
2
O)]
6-
. Sur cette représen-
tation, le vanadium est en vert, l’arsenic en
orange, l’oxygène en rouge. La molécule d’eau
encapsulée est représentée par le point rose au
centre.