L'image de gauche montre la structure cristalline d'une hétérobicouche MoTe2|PtS2 avec des tracés d'isocharges à partir d'un modèle créé à l'Université Rice. Lorsque les matériaux sont empilés, la symétrie du miroir est brisée et il y a un transfert de charge qui crée un champ électrique intrinsèque. Ce champ est responsable de la scission de spin de type Rashba illustrée par la structure de bande à droite, où le spin est perpendiculaire à la quantité de mouvement. Crédit :Sunny Gupta
Une nouvelle théorie des scientifiques de l'Université Rice pourrait stimuler le domaine croissant de la spintronique, dispositifs qui dépendent de l'état d'un électron autant que de la force électrique brute nécessaire pour le pousser.
Le théoricien des matériaux Boris Yakobson et l'étudiant diplômé Sunny Gupta à la Brown School of Engineering de Rice décrivent le mécanisme derrière la division de Rashba, un effet observé dans les composés cristallins qui peut influencer les états de spin "up" ou "down" de leurs électrons, analogue à "on" ou "off" dans les transistors communs.
'Spin' est un terme impropre, puisque la physique quantique contraint les électrons à seulement deux états. Mais c'est utile, car cela leur donne le potentiel de devenir des éléments essentiels dans les ordinateurs quantiques de prochaine génération, ainsi que des appareils électroniques quotidiens plus puissants qui consomment beaucoup moins d'énergie.
Cependant, trouver les meilleurs matériaux pour lire et écrire ces bits est un défi.
Le modèle Rice caractérise des couches simples pour prédire les hétéropaires (bicouches bidimensionnelles) qui permettent une grande division de Rashba. Ceux-ci permettraient de contrôler le spin d'assez d'électrons pour fabriquer des transistors de spin à température ambiante, une version beaucoup plus avancée des transistors communs qui reposent sur le courant électrique.
"Le principe de fonctionnement du traitement de l'information est basé sur le flux d'électrons qui peut être allumé ou éteint, " a déclaré Gupta. " Mais les électrons ont également un degré de liberté de spin qui peut être utilisé pour traiter l'information et qui est à la base de la spintronique. La capacité de contrôler le spin des électrons en optimisant l'effet Rashba peut apporter de nouvelles fonctionnalités aux appareils électroniques.
"Un téléphone portable avec une mémoire liée au spin serait beaucoup plus puissant et beaucoup moins énergivore qu'aujourd'hui, " il a dit.
Yakobson et Gupta aimeraient éliminer les essais et erreurs de recherche de matériaux. Leur théorie, présenté dans le Journal de l'American Chemical Society, vise à faire exactement cela.
"Les spins des électrons sont de minuscules moments magnétiques qui nécessitent généralement un champ magnétique pour contrôler, " dit Gupta. " Cependant, la manipulation de tels champs aux petites échelles typiques de l'informatique est très difficile. L'effet Rashba est le phénomène qui nous permet de contrôler le spin des électrons avec un champ électrique facile à appliquer au lieu d'un champ magnétique."
Le groupe de Yakobson est spécialisé dans les calculs au niveau atomique qui prédisent les interactions entre les matériaux. Dans ce cas, leurs modèles les ont aidés à comprendre que le calcul de la charge effective de Born des composants matériels individuels fournit un moyen de prédire la division de Rashba dans une bicouche.
"La charge effective née caractérise le taux de changement de polarisation de la liaison sous des perturbations externes des atomes, " dit Gupta. " Quand deux couches sont empilées, il capture efficacement le changement résultant des réseaux et des charges, ce qui provoque la polarisation intercouche globale et le champ d'interface responsable de la division de Rashba."
Leurs modèles ont révélé deux hétérobicouches - des réseaux de MoTe
Gupta a noté que l'effet Rashba est connu pour se produire dans les systèmes à symétrie d'inversion brisée - où le spin de l'électron est perpendiculaire à son élan - qui génère un champ magnétique. Sa force peut être contrôlée par une tension externe.
"La différence est que le champ magnétique dû à l'effet Rashba dépend de la quantité de mouvement de l'électron, ce qui signifie que le champ magnétique subi par un électron se déplaçant à gauche et à droite est différent, " dit-il. " Imaginez un électron avec un spin pointant dans la direction z et se déplaçant dans la direction x; il subira un champ magnétique Rashba dépendant de la quantité de mouvement dans la direction y, qui précédera l'électron le long de l'axe y et changera son orientation de spin."
Lorsqu'un transistor à effet de champ (FET) traditionnel s'allume ou s'éteint en fonction du flux de charge à travers une barrière avec une tension de grille, les transistors de spin contrôlent la longueur de précession de spin par un champ électrique de grille. Si l'orientation du spin est la même à la source et au drain du transistor, l'appareil est allumé ; si l'orientation diffère, il est éteint. Parce qu'un transistor de spin ne nécessite pas la barrière électronique trouvée dans les FET, il a besoin de moins de puissance.
"Cela donne aux appareils spintroniques un énorme avantage par rapport aux appareils électroniques conventionnels à base de charge, " Dit Gupta. " Les états de spin peuvent être réglés rapidement, ce qui rend le transfert de données plus rapide. Et le spin est non volatile. Les informations envoyées à l'aide du spin restent fixes même après une panne de courant. De plus, moins d'énergie est nécessaire pour changer de spin que pour générer du courant pour maintenir les charges d'électrons dans un appareil, les appareils de spintronique consomment donc moins d'énergie."
" Au chimiste en moi, " Yakobson a dit, "La révélation ici que la force de séparation de spin dépend de la charge de Born est, dans un sens, très similaire à l'ionicité de la liaison par rapport à l'électronégativité des atomes dans la formule de Pauling. Ce parallèle est très intrigant et mérite une exploration plus approfondie. »
