Une découverte de la façon de contrôler et de transférer des électrons en rotation ouvre la voie à de nouveaux dispositifs hybrides qui pourraient surpasser l'électronique à semi-conducteurs existante. Dans une étude publiée dans Communication Nature , des chercheurs de l'université de Linköping en Suède démontrent comment combiner un semi-conducteur couramment utilisé avec un isolant topologique, un état de la matière récemment découvert avec des propriétés électriques uniques.

Tout comme la Terre tourne autour de son propre axe, un électron aussi, dans le sens horaire ou antihoraire. "Spintronique" est le nom utilisé pour décrire les technologies qui exploitent à la fois le spin et la charge de l'électron. Les applications actuelles sont limitées, et la technologie est principalement utilisée dans les disques durs des ordinateurs. La spintronique promet de grands avantages par rapport à l'électronique conventionnelle, y compris une consommation d'énergie plus faible et une vitesse plus élevée.

En termes de conduction électrique, les matériaux naturels sont classés en trois catégories :conducteurs, semi-conducteurs et isolants. Des chercheurs ont récemment découvert une phase exotique de la matière connue sous le nom d'"isolants topologiques", qui est un isolant à l'intérieur, mais un conducteur en surface. L'une des propriétés les plus frappantes des isolants topologiques est qu'un électron doit se déplacer dans une direction spécifique le long de la surface du matériau, déterminé par sa direction de rotation. Cette propriété est connue sous le nom de "verrouillage de l'impulsion de rotation".

"La surface d'un isolant topologique est comme une autoroute divisée bien organisée pour les électrons, où les électrons ayant une direction de spin se déplacent dans une direction, tandis que les électrons avec la direction de spin opposée voyagent dans la direction opposée. Ils peuvent voyager rapidement dans les directions désignées sans entrer en collision et sans perdre d'énergie, " dit Yuqing Huang, Doctorant au Département de Physique, Chimie et Biologie (IFM) à l'Université de Linköping.

Ces propriétés rendent les isolants topologiques prometteurs pour les applications spintroniques. Cependant, une question clé est de savoir comment générer et manipuler le courant de spin de surface dans les isolants topologiques.

L'équipe de recherche à l'origine de la présente étude a maintenant fait le premier pas vers le transfert d'électrons orientés spin entre un isolant topologique et un semi-conducteur conventionnel. Ils ont généré des électrons avec le même spin dans l'arséniure de gallium, GaAs, un semi-conducteur couramment utilisé en électronique. Pour y parvenir, ils utilisaient une lumière polarisée circulairement, dans lequel le champ électrique tourne dans le sens des aiguilles d'une montre ou dans le sens inverse des aiguilles d'une montre lorsqu'il est vu dans le sens de déplacement de la lumière. Les électrons polarisés en spin pourraient alors être transférés de GaAs à un isolant topologique, pour générer un courant électrique directionnel sur la surface. Les chercheurs ont pu contrôler l'orientation de spin des électrons, et la direction et l'intensité du courant électrique dans l'isolant topologique tellurure de bismuth, Bi2Te3. Selon les chercheurs, cette flexibilité n'était pas disponible auparavant. Tout cela a été accompli sans appliquer une tension électrique externe, démontrant le potentiel d'une conversion efficace de l'énergie lumineuse en électricité. Les résultats sont importants pour la conception de nouveaux dispositifs spintroniques qui exploitent l'interaction de la matière avec la lumière, une technologie connue sous le nom d'« opto-spintronique ».

"Nous combinons les propriétés optiques supérieures du GaAs avec les propriétés électriques uniques d'un isolant topologique. Cela nous a donné de nouvelles idées pour concevoir des dispositifs opto-spintroniques qui peuvent être utilisés pour un stockage d'informations efficace et robuste, échanger, traitement et lecture dans les technologies de l'information futures, " dit le professeur Weimin Chen, qui a dirigé l'étude.