Des chercheurs ont montré comment créer une « pile de rotation » rechargeable à partir de matériaux appelés isolants topologiques, une étape vers la construction de nouveaux dispositifs spintroniques et d'ordinateurs quantiques.

Contrairement aux matériaux ordinaires qui sont soit des isolants, soit des conducteurs, les isolants topologiques sont les deux à la fois - ils sont des isolants à l'intérieur mais conduisent l'électricité à la surface. Les matériaux pourraient être utilisés pour des dispositifs spintroniques et des ordinateurs quantiques plus puissants que les technologies actuelles.

Les électrons peuvent être considérés comme ayant deux états de spin :vers le haut ou vers le bas, et un phénomène connu sous le nom de superposition permet aux électrons d'être dans les deux états en même temps. Une telle propriété pourrait être exploitée pour effectuer des calculs en utilisant les lois de la mécanique quantique, rendant les ordinateurs beaucoup plus rapides que les ordinateurs conventionnels pour certaines tâches.

Les électrons conducteurs à la surface des isolants topologiques ont une propriété clé connue sous le nom de "verrouillage de l'élan de spin, " dans laquelle la direction du mouvement des électrons détermine la direction de son spin. Ce spin pourrait être utilisé pour coder ou transporter des informations en utilisant les directions vers le bas ou vers le haut pour représenter 0 ou 1 pour le traitement et le calcul de l'information basé sur le spin, ou spintronique.

"En raison du verrouillage de l'impulsion de rotation, vous pouvez aligner ou "verrouiller" le spin des électrons dans une direction si vous faites passer un courant à travers le matériau isolant topologique, et c'est un effet très intéressant, " a déclaré Yong P. Chen, professeur de physique, d'astronomie et d'ingénierie électrique et informatique à l'Université Purdue et directeur du Purdue Quantum Center.

L'application d'un courant électrique au matériau induit une « polarisation de spin » électronique qui pourrait être utilisée pour la spintronique. Ordinairement, le courant doit rester allumé pour maintenir cette polarisation. Cependant, dans de nouvelles découvertes, Les chercheurs de Purdue sont les premiers à induire une polarisation de spin électronique de longue durée de deux jours, même lorsque le courant est coupé. La polarisation du spin des électrons est détectée par une sonde de tension magnétique, qui agit comme un voltmètre sensible au spin dans une technique connue sous le nom de "potentiométrie de spin".

Les nouveaux résultats sont détaillés dans un article de recherche paru le 14 avril dans la revue Avancées scientifiques . L'expérience a été menée par Jifa Tian, ​​associée de recherche postdoctorale.

"Une telle polarisation de spin persistante à commande électrique avec une longue durée de vie sans précédent pourrait permettre une batterie de spin rechargeable et une mémoire de spin réinscriptible pour des applications potentielles dans la spintronique et les systèmes d'information quantique, " dit Tian.

Ce "courant d'écriture" pourrait être comparé à l'enregistrement des uns et des zéros dans la mémoire d'un ordinateur.

"Toutefois, un meilleur analogique est celui d'une batterie, " dit Chen. " Le courant d'écriture est comme un courant de charge. C'est lent, tout comme charger votre iPhone pendant une heure ou deux, et puis il peut produire de la puissance pendant plusieurs jours. C'est l'idée similaire. Nous chargeons cette batterie de spin en utilisant ce courant d'écriture en une demi-heure ou une heure, puis les spins restent polarisés pendant deux jours, comme une batterie rechargeable."

La découverte a été une surprise.

"Ce n'était pas prévu ni quelque chose que nous recherchions lorsque nous avons commencé l'expérience, " dit-il. " C'était une découverte accidentelle, grâce à la patience et à la persévérance de Jifa, exécuter et répéter les mesures plusieurs fois, et en chargeant efficacement la batterie de spin pour produire un signal de polarisation de spin persistant mesurable."

Les chercheurs ne savent pas ce qui cause l'effet. Cependant, une théorie est que les électrons polarisés en spin pourraient transférer leur polarisation aux noyaux atomiques dans le matériau. Cette hypothèse comme explication possible de l'expérience a été proposée par Supriyo Datta, Thomas Duncan Distinguished Professor of Electrical and Computer Engineering de Purdue et le leader de l'« initiative d'équipe prééminente en spintronique » récemment lancée par Purdue.

« Au cours d'une réunion, Le professeur Datta a fait la suggestion critique que le signal de spin persistant observé par Jifa ressemblait à une batterie, " a dit Chen. " Il y a eu des expériences analogues faites plus tôt sur une batterie à spin nucléaire, bien qu'ils nécessitaient généralement des conditions beaucoup plus difficiles telles que des champs magnétiques élevés. Notre observation jusqu'à présent est cohérente avec l'effet résultant également des spins nucléaires, même si nous n'avons pas de preuves directes."

Le spin nucléaire a des implications pour le développement de la mémoire quantique et de l'informatique quantique.

"Et maintenant, nous avons un moyen électrique pour y parvenir, ce qui signifie qu'il est potentiellement utile pour les circuits quantiques car vous pouvez simplement passer du courant et vous polarisez le spin nucléaire, " a déclaré Chen. "Traditionnellement, cela a été très difficile à réaliser. Notre batterie de spin à base d'isolants topologiques fonctionne même à champ magnétique nul, et des températures modérément basses telles que des dizaines de kelvins, ce qui est très inhabituel."

Seokmin Hong, un ancien doctorant de Purdue travaillant avec Datta qui est maintenant ingénieur logiciel chez Intel Corp., mentionné, "Alors qu'une batterie chargée ordinaire délivre une tension qui peut être utilisée pour conduire un courant de charge, une « batterie de rotation » produit une « tension de rotation », ' ou plus précisément une différence de potentiel chimique entre les électrons de spin up et de spin down, qui peut être utilisé pour entraîner un courant de spin hors d'équilibre."

Les chercheurs ont utilisé de petits flocons d'un matériau appelé séléniure de tellure de bismuth. Il appartient à la même classe de matériaux que le tellurure de bismuth, qui est à l'origine des technologies de refroidissement à semi-conducteurs telles que les réfrigérateurs thermoélectriques commerciaux. Cependant, contrairement au matériau de qualité commerciale qui est un semi-conducteur en vrac "dopé", le matériau utilisé dans l'expérience a été soigneusement produit pour avoir une pureté ultra élevée et peu de dopage dans la masse, de sorte que la conduction est dominée par les électrons polarisés en spin sur la surface. Il a été synthétisé par le chercheur Ireneusz Miotkowski dans le laboratoire de cristaux en vrac de semi-conducteurs géré par Chen au département de physique et d'astronomie de Purdue. Les appareils ont été fabriqués par Tian au Birck Nanotechnology Center dans le Discovery Park de Purdue.

Le document a été rédigé par Tian; Hong ; et Miotkowski, Datta, et Chen.

Les recherches futures comprendront des travaux pour sonder les causes de l'effet en sondant directement le spin nucléaire, et aussi d'explorer comment cette batterie de spin peut être utilisée dans des applications pratiques potentielles.