Spintronics, un domaine de technologie émergent, exploite le rotation des électrons plutôt que leur charge pour traiter et stocker des informations. Spintronics pourrait conduire à des ordinateurs et des dispositifs de mémoire plus rapides et plus efficaces. Cependant, la plupart des systèmes spintroniques nécessitent des champs magnétiques pour contrôler le spin, ce qui est difficile dans l'intégration des appareils ultracompactes en raison d'une interférence indésirable entre les composants. Cette nouvelle recherche fournit un moyen de surmonter cette limitation.
Comme publié dans Horizons de matériauxune équipe de recherche dirigée par l'Université de technologie et de conception de Singapour (SUTD) a introduit une nouvelle méthode pour contrôler le spin d'électrons en utilisant uniquement un champ électrique. Cela pourrait ouvrir la voie au développement futur de dispositifs spintroniques ultra-compacts et économes en énergie.
Leurs résultats montrent comment un type émergent de matériau magnétique, une bicouche altermagnétique, peut héberger un nouveau mécanisme appelé verrouillage de spin de couche, permettant ainsi la manipulation tout électrique des courants de spin à température ambiante.
Qu'est-ce que l'altermagnétisme?
L'altermagnétisme est un type unique de magnétisme où les matériaux présentent une propriété inhabituelle: les tours des électrons dans le point de matériau dans des directions opposées, créant un équilibre des moments magnétiques qui annulent toute magnétisation à grande échelle. Ce phénomène est distinct du ferromagnétisme traditionnel et de l'antitiferromagnétisme, car il conduit à la capacité de créer des courants de spin non-colline et un comportement électronique unique qui peut être finement réglé. Cela rend les matériaux altermagnétiques idéaux pour les applications dans la spintronique, où un contrôle précis sur les états de spin est nécessaire.
L'équipe a découvert que dans une bicouche altermagnétique – un système composé de deux couches ultra-minces du sulfure de chrome de matériau (CRS) – les électrons se séparent naturellement en couches avec des directions de spin opposées. En appliquant un champ électrique simple, les chercheurs ont constaté qu'ils pouvaient complètement changer de polarisation de spin, atteignant une polarisation de spin réversible à la signature allant jusqu'à 87% à température ambiante.
« Nous montrons que le spin peut être contrôlé uniquement par un champ électrique, éliminant le besoin de champs magnétiques. Cela ouvre la voie à des dispositifs spintroniques ultra-compacts et très efficaces », a déclaré l'auteur principal, le Dr Rui Peng de SUTD.
Comment ça marche: une nouvelle voie pour le contrôle du spin
Dans le système bicouche, les chercheurs ont observé un effet unique qu'ils appellent le verrouillage de la couche. Contrairement aux matériaux magnétiques conventionnels où les courants polarisés en spin sont influencés par des champs magnétiques externes, la structure bicouche permet à chaque couche de transporter un courant polarisé à spin opposé. Lorsqu'un champ électrique est appliqué, il soulève sélectivement les niveaux d'énergie d'une couche sur l'autre, résultant en un courant à polarisation de spin solide et accordable.
« Imaginez avoir deux ceintures de convoyeur portant des électrons avec des tours opposés », a expliqué le professeur adjoint de SUTD, Yee Sin Ang, qui a dirigé l'équipe de recherche. « Avec un simple interrupteur de tension, nous pouvons faire dominer une courroie de tapis roulant sur l'autre, renversant la rotation des électrons transportés. C'est l'essence de notre travail. »
Étapes suivantes et applications du monde réel
Cette découverte a des implications majeures pour l'informatique de nouvelle génération, le stockage de la mémoire et les technologies quantiques. Les chercheurs envisagent que leur travail pourrait inspirer de nouveaux matériaux et conceptions d'appareils basés sur des matériaux altermagnétiques.
La prochaine phase de cette recherche se concentrera sur la validation expérimentale et le prototypage des appareils. L'équipe explore des moyens d'intégrer son système bicouche dans des circuits du monde réel et de démontrer sa faisabilité dans des applications spintroniques commerciales.
« L'objectif ultime est de développer des dispositifs spintroniques pratiques et fabriqués qui peuvent surpasser l'électronique à base de silicium d'aujourd'hui », a ajouté le professeur adjoint Ang. « Cette étude fournit le plan pour la façon dont nous pouvons y arriver. »
À mesure que la race pour développer le calcul de nouvelle génération s'accélère, la spintronique entièrement électrique devrait jouer un rôle pivot. Cette étude représente un pas en avant significatif, prouvant que, avec la bonne ingénierie des matériaux, l'avenir de l'informatique ultra-rapide et économe en énergie pourrait être plus proche que nous ne le pensons.
Cette recherche a été menée en collaboration par Sutd, l'Université des sciences et technologies de Hong Kong, le Beijing Institute of Technology, l'Université du Zhejiang et une * star de Singapour.
