Les spintroniques sont des dispositifs prometteurs qui fonctionnent en utilisant non seulement la charge des électrons, comme l'électronique conventionnelle, mais aussi leur spin (c'est-à-dire leur moment angulaire intrinsèque). Le développement de dispositifs spintroniques rapides et économes en énergie dépend considérablement de l'identification des matériaux avec une conductivité sélective au rotation accordable, ce qui signifie essentiellement que les ingénieurs peuvent contrôler comment les électrons avec différentes orientations de spin se déplacent dans ces matériaux, à l'aide de champs magnétiques ou électriques externes.
Des chercheurs de l'Université Columbia et du National High Magnetic Field Laboratory ont récemment dévoilé un nouveau mécanisme qui permet le transport sélectif de rotation des porteurs de charge dans un dichalcogénide de métal de transition atomiquement mince, à savoir le désélénide de tungstène (WSE (WSE (WSE (WSE (WSE (WSE (WSE (WSE (WSE (WSE2). Leur article, publié dans Physique de la naturepourrait ouvrir de nouvelles possibilités pour le développement de composants compacts et économes en énergie pour les dispositifs spintroniques.
« Le spin est une propriété quantique fondamentale des électrons, qui – dans une image simplifiée – peut être considérée comme une minuscule aiguille de boussole interne pointant« vers le haut »ou« vers le bas »», a déclaré En-min Shih, premier auteur du journal. « Le spin est au cœur du magnétisme et joue un rôle crucial dans de nombreuses technologies. Par exemple, dans un disque dur, les informations sont stockées selon que l'aimantation des régions nanométriques pointe vers le haut ou vers le bas. De cette façon, vous pouvez » écrire « les informations en forçant les informations dans une certaine région dans une certaine région dans une direction particulière, mais comment vous lisez les informations? »
Une approche courante de la «lecture» des informations stockées dans les dispositifs spinstronic implique de mesurer la facilité avec laquelle le courant électrique passe par des régions magnétisées dans un matériau. Cette approche repose sur le fait que le courant électrique est transporté par des électrons en mouvement, qui ont également un rotation.
« L'idée essentielle est que lorsque le rotation des électrons en mouvement correspond aux tours dans l'aimant voisin, la conductivité électrique est élevée (les électrons peuvent facilement se déplacer), et lorsque les spins ne correspondent pas, la conductivité est faible (les électrons sont entravés) », a expliqué Cory Dean, plomb PI du projet.
« Bien que la technologie existante fonctionne bien, il est difficile et coûteux de faire, principalement parce que vous devez intégrer différents matériaux dans des structures compliquées. Dans notre travail, nous avons posé une question simple: pouvons-nous atteindre un transport sélectif de spin – où seuls les électrons avec un certain état de spin peuvent bouger – en utilisant un seul matériel non magnétique? »
Dans le cadre de leur étude récente, l'équipe a spécifiquement tenté de réaliser le transport sélectif en spin dans WSE2un matériau qui peut être synthétisé pour être atomiquement mince, similaire au graphène. Contrairement au graphène, cependant, WSE2 présente une grande division d'énergie entre les niveaux d'énergie « up » et « vers le bas » lorsqu'un champ magnétique externe y est appliqué et des interactions Coulomb plus fortes entre les porteurs de charge, tout en ayant une masse efficace plus importante.
« Nous avons effectué des mesures de transport en WSE de haute qualité2 Dispositifs sous des champs magnétiques élevés « , a déclaré le co-premier auteur de l'article, Qianhui Shi. » Le champ magnétique induit des niveaux d'énergie discrets connus sous le nom de niveaux de Landau. L'apparition des niveaux de Landau est une caractéristique générale de tout matériau bidimensionnel en présence de grands champs magnétiques.
« Dans la plupart des systèmes, la séquence de niveau Landau est constituée d'alterner des niveaux de rotation et de rotation. Donc, si vous ajoutez des électrons à ces niveaux pour les remplir, le premier niveau a toutes les tours pointées vers le haut, alors au deuxième niveau, toutes les tours pointent vers le bas, et ainsi de suite. À cet égard, WSE, WSE2 est exceptionnellement unique où plusieurs niveaux consécutifs peuvent tous avoir le même spin avant de rencontrer l'état de spin opposé. «
Dans leurs études antérieures, Shi et ses collègues ont observé des modèles de spin uniques et intéressants dans WSE2 Dans une étude, par exemple, ils ont constaté que lorsque le matériau était sous un grand champ magnétique, jusqu'à six niveaux de spin-up seraient remplis avant l'apparition d'un niveau de rotation.
« Ce que nous avons réalisé dans cette nouvelle étude, c'est que lorsque nous avons regardé le courant coulant au niveau de Landau le plus élevé, il se comporte similaire aux structures sandwich utilisées pour la mémoire magnétique », a expliqué Shi. « Par exemple, si le spin au plus haut niveau est le même que tous les niveaux inférieurs, la conductivité est élevée. Cependant, lorsque le spin du niveau le plus élevé est opposé aux niveaux inférieurs, la conductivité est faible.
« Il s'agit d'une sorte d'effet de transport sélectif du spin, mais avec le courant de transport et des couches magnétiques séparées entre les niveaux d'énergie dans un seul matériau, plutôt que physiquement confiné à deux matériaux différents. »
Fait intéressant, les chercheurs ont observé un contraste spectaculaire dans la conductivité électrique de WSE2selon le rotation des opérateurs mobiles au niveau de Fermi. Il s'agit essentiellement du niveau d'énergie qui représente les porteurs d'état de charge les plus occupés dans les matériaux.
« Lorsque ces transporteurs appartiennent au groupe de spin majoritaire (même spin que les niveaux« remplis »de l'énergie inférieure), ils peuvent se déplacer librement et contribuer à une conductance significative; lorsqu'ils sont dans le groupe de spin minoritaire (rotation opposée aux niveaux remplis), leur mouvement est effectivement supprimé – ils deviennent localisés et la conductivité tombe fortement», a déclaré Shih.
« Le plus surprenant pour nous a été que ce n'est pas un petit effet et, en effet, dans les bonnes conditions, peut être assez dramatique avec le faible état de conductance ne montrant efficacement aucune conductivité – iie, un véritable état » off « ».
Dans leur article, Shih et ses collègues ont tenté d'offrir une explication possible pour l'effet intéressant qu'ils ont observé dans WSE2. En fin de compte, ils ont proposé que l'effet puisse découler de la force avec laquelle les opérateurs mobiles interagissent avec l'arrière-plan des états électroniques inertes déjà remplis.
« Lorsque les opérateurs de mobiles ont un tour différent de l'arrière-plan, ils connaissent de fortes interactions Coulomb avec les charges immobiles – elles sont essentiellement` `traînées '' par les charges immobiles de fond et sont obligées de se déplacer lentement ou même pas du tout », a expliqué Kun Yang, collaborateur théorique de l'article.
« En revanche, lorsque les tours correspondent, le principe quantique de l'exclusion de Pauli les empêche d'interagir très fortement et dans ce régime, les électrons mobiles passent sans grand respect pour les charges immobiles. »
Les chercheurs ont démontré que l'effet observé dans leurs expériences peut être exploité pour réaliser le transport sélectif du spin. De plus, le mécanisme par lequel le transport sélectif est réalisé (c'est-à-dire que l'interaction entre les interactions de Coulomb fortes et la séparation du spin dans des bandes d'énergie distinctes) s'est avérée avoir des avantages notables par rapport à d'autres mécanismes précédemment décrits provoquant un transport sélectif de spin.
« Contrairement aux hétérostructures magnétorésistaires avec des domaines magnétiques séparés spatialement, ce mécanisme atteint un filtrage de spin dans un seul matériau, entraîné par l'interaction entre les spins libres et localisés résidant dans des bandes séparées par l'énergie », a déclaré Dean. « De plus, comme nous pouvons régler le niveau de Fermi pour résider dans la majorité de spin ou les niveaux de minorité par un champ magnétique ou électrique, la sélectivité du spin est hautement réglable. »
Ce travail récent de Shih, Dean, Shi et leurs collègues présente une nouvelle voie prometteuse pour la fabrication d'appareils spinstronic compacts, efficaces et accordables. Dans leurs prochaines études, les chercheurs prévoient d'explorer le mécanisme qu'ils ont identifié plus en profondeur, pour comprendre s'il peut également être exploité sans utiliser un champ magnétique externe.
« Les structures Moiré, telles que celles formées en tordant deux couches de WSE₂ par un petit angle, hébergent des bandes plates qui ressemblent aux niveaux de Landau produits mais sans nécessiter le champ magnétique », a ajouté Shi. « De plus, nous avons montré dans notre étude que cet effet ne s'appuie pas seulement sur ce qu'on appelle la« véritable rotation des particules »mais aussi d'autres nombres quantiques associés à ces niveaux tels que la pseudospin de la vallée – une propriété quantique liée à la façon dont l'électron déplace la structure atomique du matériau.
« Cela pourrait être important pour les opportunités technologiques futures, car Valley Pseudospin pourrait être manipulée avec des champs optiques plutôt que magnétiques. »
Écrit pour vous par notre auteur Ingrid Fadelli, édité par Lisa Lock, et vérifié et examiné par Andrew Zinin – cet article est le résultat d'un travail humain soigneux. Nous comptons sur des lecteurs comme vous pour garder le journalisme scientifique indépendant en vie. Si ce rapport vous importe, veuillez considérer un don (surtout mensuel). Vous obtiendrez un sans publicité compte comme un remerciement.
