Le montage expérimental consiste en une hétérostructure de graphène et de bisulfure de molybdène; un appareil spintronique. En appliquant une tension de grille, il est possible de contrôler si le courant qui passe inclura ou non un signal de rotation. Crédit :Université de technologie Chalmers
En combinant le graphène avec un autre matériau bidimensionnel, des chercheurs de l'Université de technologie Chalmers ont créé un prototype d'un dispositif de type transistor pour les futurs ordinateurs, basé sur ce qu'on appelle la spintronique. La rotation en tant que support d'informations peut donner lieu à des composants électroniques nettement plus rapides et plus économes en énergie. Cela peut également conduire à des composants plus polyvalents capables à la fois de calculer et de stocker des données. La découverte est publiée dans la revue scientifique Communication Nature .
Il y a un peu plus de deux ans, le même groupe de recherche à l'Université de technologie Chalmers a démontré que le graphène, qui est un excellent conducteur électrique, possède également des propriétés spintroniques inégalées.
Le maillage de carbone ultra-mince s'est avéré capable de transporter des électrons avec un spin coordonné sur de plus longues distances et de préserver le spin plus longtemps que tout autre matériau connu à température ambiante.
Bien que la distance soit encore à l'échelle de quelques micromètres et que le temps se mesure toujours en nanosecondes, cela a en principe ouvert la porte à la possibilité d'utiliser le spin dans les composants microélectroniques.
"Mais, il ne suffit pas d'avoir une bonne autoroute pour que le signal de vrille circule. Vous avez également besoin de feux de circulation pour que le signal puisse être contrôlé, " déclare le professeur agrégé Saroj Dash, chef du groupe de recherche.
"Notre nouveau défi est devenu de trouver un matériau qui peut à la fois transmettre et contrôler la rotation. C'est difficile, étant donné que les deux tâches nécessitent normalement des propriétés matérielles complètement opposées, " il explique.
Comme beaucoup d'autres chercheurs dans le domaine chaud du graphène, les chercheurs de Chalmers ont donc choisi de tester une combinaison de graphène et d'un autre mince, matériau dit bidimensionnel, avec des propriétés spintroniques contrastées.
"Notre matériau de prédilection était le bisulfure de molybdène, MoS2, en raison de sa faible durée de vie de spin, résultant d'un couplage spin-orbite élevé, " déclare André Dankert, chercheur postdoctoral dans le groupe.
André Dankert et Saroj Dash ont conçu une expérience où quelques couches de bisulfure de molybdène ont été placées sur une couche de graphène dans un type de sandwich, appelé hétérostructure. Avec ça, ils pourraient identifier en détail ce qui arrive au signal de spin lorsque le courant électronique atteint l'hétérostructure :
"Premièrement, l'amplitude du signal de spin et la durée de vie du graphène sont décuplées juste par le contact étroit avec le bisulfure de molybdène. Mais, nous montrons également comment on peut contrôler le signal et la durée de vie en appliquant une tension de grille électrique à travers l'hétérostructure, " explique Saroj Dash.
En effet, la barrière énergétique naturelle qui existe entre les couches de matériau, appelé la barrière Schottky, diminue lorsque la tension électrique est appliquée. Avec ça, les électrons peuvent tunnel mécaniquement quantique du graphène dans le bisulfure de molybdène. Cela fait disparaître la polarisation de spin; le spin devient aléatoirement distribué.
L'ouverture ou la fermeture d'une "valve" de cette manière en régulant une tension est similaire au fonctionnement d'un transistor dans l'électronique conventionnelle. Néanmoins, Saroj Dash hésite un peu à appeler l'appareil un transistor de spin.
"Quand les chercheurs ont proposé sur les futurs transistors de spin, ils ont souvent imaginé quelque chose basé sur la technologie des semi-conducteurs et ce qu'on appelle la manipulation cohérente du spin des électrons. Ce que nous avons fait fonctionne d'une manière complètement différente, mais effectue une tâche de commutation similaire, " il dit.
Image Colorée Au Microscope Electronique à Balayage D'un MoS2 / Graphène Fabriqué En Matériaux 2D Hétérostructure Spintronic Device. Crédit :Spin FET@Chalmers
"C'est la première fois que quelqu'un est en mesure de démontrer que le contrôle par grille du courant de spin et de la durée de vie du spin fonctionne à température ambiante - ce qui augmente naturellement les possibilités pour différentes applications à l'avenir, " dit Saroj Dash.
Bien qu'il soit trop tôt pour prédire ce qu'ils seraient, Dash souligne qu'un composant basé sur ce principe peut être extrêmement polyvalent car il contient des éléments de mémoire magnétique, semi-conducteurs et graphène, ainsi que d'avoir la capacité d'effectuer une commutation spintronique.
"Cela désigne un composant multifonctionnel capable de gérer à la fois le stockage des données et le travail du processeur - dans une seule unité."
Faits :Bisulfure de molybdène, MoS2
Le bisulfure de molybdène est une substance semi-conductrice avec laquelle beaucoup sont entrés en contact, puisqu'il s'agit de l'ingrédient actif d'un certain type de lubrifiant vendu à votre station-service locale.
Avec sa structure en couches, le bisulfure de molybdène a des similitudes avec le graphite, qui est composé de plusieurs couches de graphène qui collent ensemble. Cependant, lorsqu'il s'agit de spintronique, les matériaux sont opposés les uns aux autres. Le bisulfure de molybdène ne laisse passer aucun courant d'électrons polarisés. Le signal de spin rencontre une mort subite puisque les électrons retournent rapidement à leur état naturel, mélange aléatoire de rotation ascendante et descendante.
Faits :Spin et spintronique
Le spin est une propriété de mécanique quantique des électrons et autres particules élémentaires. La rotation est soit dirigée vers le haut, soit dirigée vers le bas. La distribution est normalement aléatoire.
Mais, Parfois, tous ou la majorité des électrons d'un matériau ont leur spin orienté dans la même direction - vers le haut ou vers le bas. C'est ainsi que le magnétisme se produit.
A l'aide d'aimants, un courant d'électrons peut être homogénéisé - c'est-à-dire polarisé - de sorte que tous les électrons aient un spin ascendant, par exemple. On dit alors que le courant transporte un signal de spin.
La rotation coordonnée est sensible aux perturbations et peut être facilement perdue, mais le graphène s'est avéré être un conducteur qui permet à un courant de voyager exceptionnellement longtemps avec son spin intact. Assez longtemps pour pouvoir utiliser le spin comme support d'informations dans les futurs composants logiques – la spintronique.
