Les technologies de l'information du futur utiliseront probablement le spin des électrons plutôt que la charge des électrons pour transporter l'information. Mais d'abord, les scientifiques doivent mieux comprendre comment contrôler le spin et apprendre à construire l'équivalent de spin des composants électroniques, à partir de transistors de spin, pour faire tourner des portes et des circuits.

Maintenant, Des chercheurs de l'Université Harvard ont développé une technique pour contrôler et mesurer la tension de spin, connu sous le nom de potentiel chimique de spin. La technique, qui utilise des défauts de taille atomique dans les diamants pour mesurer le potentiel chimique, est essentiellement un multimètre de spin à l'échelle nanométrique qui permet des mesures dans des dispositifs à l'échelle de la puce.

La recherche est publiée dans Science .

« Il y a un intérêt croissant pour les matériaux isolants qui peuvent conduire le spin, " dit Amir Yacoby, Professeur de physique au Département de physique et de physique appliquée de la Harvard John A. Paulson School of Engineering and Applied Sciences et auteur principal de l'article. "Notre travail développe une nouvelle façon de regarder ces spins dans des matériaux tels que des aimants."

Dans les matériaux conducteurs, les électrons peuvent transporter des informations en se déplaçant d'un point A à un point B. Il s'agit d'un courant électrique. Tournoyer, d'autre part, peut se propager à travers des matériaux isolants par ondes - chaque électron restant immobile et communiquant son spin à son voisin couplé, comme un jeu quantique de téléphone.

Pour conduire ces ondes du point A au point B, les chercheurs devaient développer une technique pour augmenter le potentiel chimique de spin (tension de spin) au niveau local.

"Si vous avez un potentiel chimique élevé à l'emplacement A et un potentiel chimique faible à l'emplacement B, les ondes de spin commencent à se diffuser de A à B, " a déclaré Chunhui Du, stagiaire postdoctoral au Département de physique et co-premier auteur de l'article. "C'est un concept très important en spintronique, parce que si vous êtes capable de contrôler le transport des ondes de spin, alors vous pouvez utiliser ces ondes de spin au lieu du courant électrique comme porteurs d'informations."

Les chercheurs ont utilisé deux méthodes d'injection d'ondes de spin :dans la première, ils ont appliqué une oscillation rapide, champs magnétiques micro-ondes pour exciter les ondes de spin. Dans la seconde, ils ont converti un courant électrique en ondes de spin à l'aide d'une bande de platine située à une extrémité de l'aimant.

"Ce qui est remarquable, c'est que ce matériau est un isolant ; il ne conduit aucun courant et vous pouvez toujours envoyer des informations sous forme d'ondes de spin à travers lui, " dit Toeno Van der Sar, stagiaire postdoctoral au Département de physique et co-premier auteur de l'article. "Les ondes de spin sont si prometteuses car elles peuvent voyager longtemps sans se décomposer, et il n'y a pratiquement pas de chaleur produite parce que vous n'avez pas d'électrons en mouvement."

Une fois que l'équipe a injecté des ondes de spin dans le matériau, l'étape suivante consistait à déterminer comment mesurer les informations sur ces vagues. Les chercheurs se sont tournés vers les défauts de lacune d'azote (NV) dans les diamants. Ces défauts - dans lesquels un atome de carbone dans un diamant est remplacé par un atome d'azote et un atome voisin est supprimé - peuvent être utilisés pour détecter des champs magnétiques minuscules.

Les chercheurs ont fabriqué de minuscules tiges de diamant contenant des centres NV et les ont placées à des nanomètres au-dessus de l'échantillon. Au fur et à mesure que les ondes de spin se déplacent à travers le matériau, ils génèrent un champ magnétique, qui est récupéré par le centre NV.

Sur la base des mesures du centre NV, les chercheurs peuvent maintenant comprendre le potentiel chimique du spin, le nombre d'ondes de spin, comment ils se déplacent à travers le matériel et d'autres informations importantes.

"Ce qui est bien avec cette technique, c'est qu'elle est très locale, " a déclaré Van der Sar. " Vous pouvez faire ces mesures à quelques nanomètres au-dessus de l'échantillon, ce qui signifie que vous pouvez étudier spatialement le potentiel chimique dans un dispositif à ondes de spin à l'échelle d'une puce, pour, Disons, un ordinateur à ondes de spin. Ce n'est pas possible avec certaines des autres techniques de pointe."

Ce système pourrait également offrir un aperçu de la physique plus exotique telle que l'effet Hall à ondes de spin, ou montrer que le transport des ondes de spin est hydrodynamique.

"Le principe que nous utilisons pour contrôler et mesurer le potentiel chimique de spin est assez général. Il ouvre des voies pour étudier des phénomènes de spin plus exotiques dans de nouveaux matériaux et aide au développement de nouveaux dispositifs spintroniques, " dit Du.