Une nouvelle étude montre que les spins électroniques antiparallèles entre deux électrodes créent plus de capacité que les spins parallèles, ce qui est à l'opposé de ce qui est normalement observé. Crédit :Hideo Kaiju et. Al.
Condensateurs, des composants électroniques qui stockent et libèrent rapidement une charge, jouent un rôle important dans de nombreux types de circuits électriques. Ils joueront un rôle tout aussi important dans les dispositifs spintroniques de prochaine génération, qui profitent non seulement de la charge électronique, mais aussi du spin, le petit moment magnétique de chaque électron.
Il y a deux ans, une équipe internationale de chercheurs a montré qu'en manipulant le spin des électrons au niveau d'une jonction tunnel magnétique quantique - un sandwich nanométrique composé de deux électrodes métalliques avec un isolant au milieu - ils pouvaient induire une forte augmentation de la capacité de la jonction.
Maintenant, cette même équipe de recherche a inversé le scénario sur le phénomène, connu sous le nom de magnétocapacité. Dans un article publié dans la revue Rapports scientifiques , ils montrent qu'en utilisant différents matériaux pour construire une jonction à effet tunnel quantique, ils ont pu modifier la capacité en manipulant les spins dans le sens inverse de la magnétocapacité "normale". Cet effet inverse, disent les chercheurs, ajoute un autre phénomène potentiellement utile à la boîte à outils de la spintronique.
"Cela nous donne plus d'espace de paramètres pour concevoir des appareils, " dit Gang Xiao, président du département de physique de Brown et l'un des coauteurs de l'article. "Parfois, la capacité normale peut être meilleure; parfois l'inverse peut être meilleur, selon l'application. Cela nous donne un peu plus de flexibilité."
Les magnétocondensateurs pourraient être particulièrement utiles, Xiao dit, dans la fabrication de capteurs magnétiques pour une gamme de dispositifs spintroniques différents, y compris les disques durs d'ordinateur et les puces de mémoire à accès aléatoire de nouvelle génération.
La recherche était une collaboration entre le laboratoire de Xiao à Brown, le laboratoire de Hideo Kaiju et Taro Nagahama à l'université japonaise de Hokkaido et le laboratoire d'Osamu Kitakami à l'université de Tohoku.
La structure cristalline des électrodes Fe3O4 et Fe analysée par RHEED (diffraction électronique à haute énergie par réflexion). Les motifs indiquent que Fe3O4 a la structure spinelle inverse avec la même orientation cristalline du substrat MgO, tandis que Fe prend une structure polycristalline. Crédit :Kaiju et. Al.
Xiao étudie les jonctions tunnel magnétiques depuis plusieurs années. Les minuscules jonctions peuvent fonctionner à peu près de la même manière que les condensateurs dans les circuits standard. L'isolant entre les deux électrodes conductrices ralentit la libre circulation du courant à travers la jonction, créer une résistance et un autre phénomène, capacitance.
Mais ce qui rend les jonctions tunnel particulièrement intéressantes, c'est que la quantité de capacité peut être modifiée dynamiquement en manipulant les spins des électrons dans les deux électrodes métalliques. Les électrodes sont magnétiques, ce qui signifie que les électrons qui tournent à l'intérieur de chaque électrode sont pointés dans une direction particulière. La direction de spin relative entre deux électrodes détermine la quantité de capacité présente à la jonction.
Dans leurs premiers travaux sur ce phénomène, Xiao et l'équipe de recherche ont montré à quel point le changement de capacité pouvait être important. A l'aide d'électrodes en fer-cobalt-bore, ils ont montré qu'en basculant les spins d'antiparallèle à parallèle, ils pourraient augmenter la capacité dans les expériences de 150 pour cent. Sur la base de ces résultats, l'équipe a développé une théorie prédisant que, dans des conditions idéales, le changement de capacité pourrait en fait aller jusqu'à 1, 000 pour cent.
La théorie a également suggéré que l'utilisation d'électrodes fabriquées à partir de différents types de métaux créerait un effet de magnétocapacité inverse, celui dans lequel les spins anti-parallèles créent plus de capacité que les spins parallèles. C'est exactement ce qu'ils ont montré dans cette dernière étude.
"Nous avons utilisé du fer pour une électrode et de l'oxyde de fer pour l'autre, " dit Xiao. " Les propriétés électriques des deux sont des images miroir l'une de l'autre, c'est pourquoi nous avons observé cet effet de magnétocapacité inverse."
Xiao dit que les résultats suggèrent non seulement un plus grand espace de paramètres pour l'utilisation de la magnétocapacité dans les dispositifs spintroniques, ils fournissent également une vérification importante de la théorie que les scientifiques utilisent pour expliquer le phénomène.
"Maintenant, nous voyons que les théories cadrent bien avec l'expérience, nous pouvons donc être confiants dans l'utilisation de nos modèles théoriques pour maximiser ces effets, soit l'effet « normal » soit l'effet inverse que nous avons démontré ici, " dit Xiao.
