Un schéma de l'expérience d'optique ultrarapide. Une impulsion laser initiale aligne un spin électronique le long du trajet du faisceau ; le spin de l'électron précesse dans un champ magnétique externe; une autre impulsion laser temporisée détecte la précession de spin par rotation de son plan de polarisation (Nord ou Haut, Sud ou vers le bas). En haut à gauche :la structure matérielle des pérovskites hybrides. En bas à droite :des données typiques montrent des oscillations induites par la précession de spin. Crédit :Patrick Odenthal
Une équipe dirigée par l'Université de l'Utah a découvert qu'une classe de « matériaux miracles » appelés pérovskites hybrides organiques-inorganiques pourrait changer la donne pour les futurs dispositifs spintroniques.
La spintronique utilise la direction du spin de l'électron - vers le haut ou vers le bas - pour transporter des informations dans les uns et les zéros. Un dispositif spintronique peut traiter de manière exponentielle plus de données que l'électronique traditionnelle qui utilise le flux et le reflux du courant électrique pour générer des instructions numériques. Mais les physiciens ont lutté pour faire des dispositifs spintroniques une réalité.
La nouvelle étude, publié en ligne aujourd'hui dans Physique de la nature , est le premier à montrer que les pérovskites hybrides organiques-inorganiques sont une classe de matériaux prometteuse pour la spintronique. Les chercheurs ont découvert que les pérovskites possèdent deux propriétés contradictoires nécessaires au fonctionnement des dispositifs spintroniques :le spin des électrons peut être facilement contrôlé, et peut également maintenir la direction de rotation assez longtemps pour transporter des informations, une propriété connue sous le nom de durée de vie de spin.
"C'est un appareil que les gens ont toujours voulu fabriquer, mais il y a de gros défis à trouver un matériau qui peut être manipulé et, à la fois, avoir une longue durée de vie, " dit Sarah Li, professeur adjoint au Département de physique et d'astronomie de l'U et auteur principal de l'étude. "Mais pour ce matériel, c'est la propriété du matériau lui-même qui satisfait les deux."
La matière miraculeuse
Les pérovskites hybrides organiques-inorganiques sont déjà réputées dans les cercles scientifiques pour être étonnamment efficaces pour convertir la lumière du soleil en électricité.
"C'est incroyable. Un matériau miracle, " dit Z. Valy Vardeny, professeur distingué au Département de physique et d'astronomie et co-auteur de l'étude, dont le laboratoire étudie les cellules solaires à pérovskite. « En quelques années seulement, les cellules solaires basées sur ce matériau ont un rendement de 22%. Et maintenant, il a cette propriété de durée de vie de spin. C'est fantastique."
La composition chimique du matériau est un candidat improbable pour la spintronique, toutefois. Le cadre inorganique de pérovskite hybride est composé d'éléments lourds. Plus l'atome est lourd, plus il est facile de manipuler le spin de l'électron. C'est bon pour la spintronique. Mais d'autres forces influencent également la rotation. Quand les atomes sont lourds, vous supposez que la durée de vie du spin est courte, explique Li.
"La plupart des gens dans le domaine ne penseraient pas que ce matériau a une longue durée de vie en rotation. C'est surprenant pour nous, trop, " dit Li. "Nous n'avons pas encore trouvé la raison exacte. Mais c'est probablement intrinsèque, propriété magique du matériau lui-même."
Sarah Li (à gauche) et Z. Valy Vardeny (à droite) du Département de physique et d'astronomie de l'Université de l'Utah discutent du laser ultrarapide utilisé pour préparer et mesurer la direction du spin électronique de l'iode de plomb hybride pérovskite méthyl-ammonium (CH3NH3PbI3 ). Ils sont les premiers à montrer que les pérovskites hybrides organiques-inorganiques sont une classe de matériaux prometteuse pour la spintronique, un champ émergent qui utilise le spin de l'électron pour transporter des informations, plutôt que la charge électronique utilisée dans l'électronique traditionnelle. Crédit :Université de l'Utah
Spintronique :Ce moment magnétique où...
Téléphones portables, les ordinateurs et autres appareils électroniques ont des transistors au silicium qui contrôlent le flux de courants électriques comme de minuscules barrages. À mesure que les appareils deviennent plus compacts, les transistors doivent gérer le courant électrique dans des zones de plus en plus petites.
« La technologie silicium, basé uniquement sur la charge électronique, atteint sa taille limite, " dit Li, "La taille du fil est déjà petite. Si elle devient plus petite, cela ne fonctionnera pas de la manière classique à laquelle vous pensez."
"Les gens pensaient, « Comment pouvons-nous augmenter la quantité d'informations dans une zone si petite ? » ajoute Vardeny. « Que faisons-nous pour surmonter cette limite ? »
"Spintronique, " répond la physique.
La spintronique utilise le spin de l'électron lui-même pour transporter des informations. Les électrons sont essentiellement de minuscules aimants en orbite autour du noyau d'un élément. Tout comme la Terre a sa propre orientation par rapport au soleil, les électrons ont leur propre orientation de spin par rapport au noyau qui peut être alignée dans deux directions :« Up, " qui représente un un, et en bas, " qui représente un zéro. Les physiciens relient le "moment magnétique" de l'électron à son spin.
En ajoutant du spin à l'électronique traditionnelle, vous pouvez traiter de manière exponentielle plus d'informations que de les utiliser de manière classique en vous basant sur des charges inférieures ou supérieures.
"Avec la spintronique, non seulement vous avez énormément plus d'informations, mais vous n'êtes pas limité par la taille du transistor. La limite de taille sera la taille du moment magnétique que vous pouvez détecter, ce qui est beaucoup plus petit que la taille du transistor de nos jours, " dit Vardeny.
Le laser ultrarapide tire des impulsions lumineuses très courtes 80 millions de fois par seconde sur le matériau pérovskite hybride pour déterminer si ses électrons pourraient être utilisés pour transporter des informations dans les futurs appareils. Ils ont divisé le laser en deux faisceaux; le premier frappe le film pour régler le spin de l'électron dans la direction souhaitée. Le deuxième faisceau se courbe à travers une série de miroirs comme une machine à bille avant de frapper le film de pérovskite à des intervalles de temps croissants pour mesurer combien de temps l'électron a maintenu le spin dans la direction préparée. Crédit :Université de l'Utah
L'expérience pour régler le spin des électrons
Accorder un spin électronique, c'est comme accorder une guitare, mais avec un laser et beaucoup de miroirs.
D'abord, les chercheurs ont formé un film mince à partir de l'iode de plomb hybride pérovskite méthyl-ammonium (CH3NH3PbI3) et l'ont placé devant un laser ultrarapide qui tire des impulsions lumineuses très courtes 80 millions de fois par seconde. Les chercheurs sont les premiers à utiliser la lumière pour définir l'orientation du spin de l'électron et observer la précession du spin dans ce matériau.
Ils ont divisé le laser en deux faisceaux; le premier a frappé le film pour régler le spin de l'électron dans la direction souhaitée. Le deuxième faisceau se courbe à travers une série de miroirs comme un flipper avant de frapper le film de pérovskite à des intervalles de temps croissants pour mesurer combien de temps l'électron a maintenu le spin dans la direction préparée.
Ils ont découvert que la pérovskite a une durée de vie de spin étonnamment longue, jusqu'à la nanoseconde. Le spin retourne plusieurs fois pendant une nanoseconde, ce qui signifie que beaucoup d'informations peuvent être facilement stockées et manipulées pendant cette période.
Une fois qu'ils ont déterminé la longue durée de vie du spin, les chercheurs ont testé à quel point ils pouvaient manipuler le spin avec un champ magnétique.
"La rotation est comme la boussole. La boussole tourne dans ce champ magnétique perpendiculaire à cette boussole, et finalement il s'arrêtera de tourner, " dit Li. "Dites que vous réglez la rotation sur 'up, ' et vous appelez ça 'un'. Lorsque vous l'exposez au champ magnétique, la rotation change de direction. S'il a tourné de 180 degrés, il passe de un à zéro. S'il tournait à 360 degrés, ça va de un à un."
Ils ont découvert qu'ils pouvaient faire tourner le spin de plus de 10 tours en exposant l'électron à différentes intensités de champ magnétique.
Le potentiel de ce matériau est énorme, dit Vardeny. Il pourrait traiter les données plus rapidement et augmenter la mémoire vive.
"Je te dis, c'est un matériau miracle, " dit Vardeny.
