Les appareils qui tirent parti des courants de spin pour leurs propriétés électroniques particulières sont constitués de plusieurs couches de matériaux. Pour les mesures dans cette recherche, un dispositif était composé de grenat de fer et d'yttrium (YIG) et d'un métal normal séparés par une couche isolante antiferromagnétique (AF – un matériau dont les moments magnétiques sont annulés). (Le dissipateur thermique et le réchauffeur ont permis un gradient de température (T) pour la génération de courant de spin). L'introduction de la couche isolante AF amplifie le courant de spin (courbe bleue sur la figure de droite) par rapport à l'interface métal-YIG ordinaire (courbe rouge) jusqu'à un facteur 10. En l'absence du substrat ferromagnétique YIG, le courant de spin disparaît (trait noir). Les données sur la figure concernaient une couche métallique de platine (Pt) ; les données mettent en corrélation le champ appliqué (H) avec la tension Hall de spin inverse mesurée (V). Crédit :Département américain de l'Énergie
Un électron porte une charge électrique et un spin qui engendre un moment magnétique et peut donc interagir avec des champs magnétiques externes. L'électronique conventionnelle est basée sur la charge de l'électron. Le domaine émergent de la spintronique vise à exploiter le spin de l'électron. L'utilisation des spins comme unités élémentaires dans l'informatique et l'électronique hautement efficace est l'objectif ultime de la science spintronique en raison de la consommation d'énergie minimale de la spintronique. Dans cette étude, les chercheurs ont manipulé et amplifié le courant de spin grâce à la conception des structures en couches, une étape essentielle vers cet objectif.
Pour les téléphones portables, des ordinateurs, et autres appareils électroniques, un inconvénient majeur est la génération de chaleur lorsque les électrons se déplacent autour des circuits électroniques. La perte d'énergie réduit considérablement l'efficacité de l'appareil. Finalement, la chaleur limite le tassement des composants dans des micro-puces haute densité. La promesse de Spintronics est d'éliminer cette perte d'énergie. Pour ce faire, il suffit de déplacer le spin des électrons sans déplacer les électrons. L'utilisation de stratégies de conception telles que celles identifiées par cette recherche pourrait aboutir à une spintronique à haut rendement énergétique pour remplacer l'électronique d'aujourd'hui.
Un obstacle important à la réalisation de l'électronique de spin est l'amplification de petits signaux de spin. En électronique conventionnelle, l'amplification d'un courant électronique est réalisée à l'aide de transistors. Récemment, des chercheurs de l'Université Johns Hopkins ont démontré que de petits courants de spin peuvent être amplifiés en insérant des films minces de matériaux isolants antiferromagnétiques (matériaux dans lesquels les moments magnétiques sont annulés) dans les structures en couches, produire efficacement un transistor de spin. Les scientifiques ont utilisé des couches minces d'isolants antiferromagnétiques, tels que les oxydes de nickel et de cobalt, pris en sandwich entre le grenat de fer et d'yttrium (YIG) isolant ferrimagnétique et des films métalliques normaux. Avec de tels appareils, ils ont montré que le courant de spin pur injecté thermiquement de YIG dans le métal peut être amplifié jusqu'à dix fois par le film isolant antiferromagnétique. Les chercheurs ont découvert que la fluctuation de spin de la couche isolante antiferromagnétique améliore le courant de spin. Ils ont également constaté que l'amplification est linéairement proportionnelle à la conductance de mélange de spin du métal normal et du YIG. Les expériences ont démontré cet effet pour divers métaux. Plus loin, l'étude a montré que l'amplification du courant de spin est proportionnelle à la conductance de mélange de spin des systèmes YIG/métal pour différents métaux. Les calculs de l'augmentation du courant de spin et de la conductance de mélange de spin ont fourni un accord qualitatif avec les observations expérimentales.
