Une équipe de chercheurs de l'Académie russe des sciences (RAS), en collaboration avec un collègue du RIKEN (Institute for Physical and Chemical Research in Japan), a apporté la preuve théorique de l'existence d'une nouvelle classe de matériaux, demi-métaux de la vallée de spin. Leur article a été publié dans la revue Lettres d'examen physique . La découverte a des applications potentielles dans l'électronique implantable et les dispositifs basés sur le graphène, nanotubes, et un certain nombre d'autres matériaux prometteurs.

Le mécanisme microscopique proposé par les chercheurs diffère significativement du modèle semi-métal habituel basé sur une forte interaction électron-électron. Cela pourrait donner lieu à une nouvelle direction dans la recherche de demi-métaux "non métalliques", c'est à dire., ceux qui ne contiennent pas d'atomes de métaux de transition comme le nickel, manganèse et lanthane. De tels matériaux seraient utiles dans des dispositifs et systèmes implantables. Les auteurs utilisent le terme « spin-valley-tronics » pour désigner cette alternative possible à l'électronique traditionnelle.

À mesure que l'électronique devient plus petite et plus densément organisée, il est très difficile de continuer à augmenter le nombre de transistors ou la fréquence d'horloge du microprocesseur. Les chercheurs du monde entier explorent donc de nouvelles possibilités. L'un d'eux est la spintronique, qui utilise les spins des électrons et a déjà quelques applications pratiques importantes. Au tournant du siècle, l'utilisation de matériaux à magnétorésistance géante dans les capteurs de champ magnétique (utilisés pour lire les données dans les disques durs) a permis le stockage de quantités de données beaucoup plus importantes sur les disques durs.

On pense que les demi-métaux ont un grand potentiel en spintronique. Ils ont d'abord été prédits sur la base de simulations informatiques et se sont ensuite avérés exister expérimentalement. Dans un matériau semi-métallique, électrons d'une seule orientation de spin - par exemple, spin up - participer au courant électrique. L'énergie des électrons de spin-down est trop élevée, et par conséquent, ils ne peuvent pas transporter de courant de charge. Cela signifie que lorsque le courant traverse un demi-métal, un courant polarisé en spin est généré, également. Mais la spin-valley-tronics cherche à manipuler non seulement une population d'électrons polarisés en spin dans le courant, mais aussi ce que l'on appelle l'indice de vallée.

Le terme "vallée" est emprunté à la physique des semi-conducteurs. Mathématiquement, l'énergie d'excitation dans un solide est exprimée par E (k, m), où k est la quantité de mouvement de l'électron et n est l'indice de zone, c'est à dire., une propriété quantique discrète de l'état de l'électron. Cette fonction peut sembler assez étrange, et dans le cas de plusieurs minimums avec des énergies d'excitation comparables, il y a plusieurs "vallées". Essentiellement, les électrons dont les états correspondent à l'une des vallées n'interagissent pas avec les électrons d'une autre vallée. Un tel ensemble d'électrons peut porter non seulement le spin et la charge, mais aussi une valeur distincte appelée indice de vallée.

L'indice de vallée peut être utilisé pour transférer des informations à l'aide de courants de vallée - à cet égard, l'indice de vallée est assez similaire au spin. Des recherches dans ce sens sont actuellement menées par plusieurs groupes. Les chercheurs ont maintenant prouvé théoriquement l'existence d'une nouvelle classe de matériaux à utiliser dans la spin-valley-tronics.

Les demi-métaux dont disposent les chercheurs contiennent tous des atomes de métaux de transition :nickel, manganèse, lanthane, etc. Les chercheurs ont démontré un mécanisme théorique permettant d'obtenir une demi-métallicité qui ne nécessite aucun atome de métal de transition. Cela a un certain nombre d'applications utiles, y compris dans les dispositifs implantables.

Les physiciens suggèrent que ces demi-métaux non métalliques soient obtenus à partir d'une classe spéciale de matériaux diélectriques appelés isolants d'onde de densité de charge ou de spin. Le terme fait référence à un état avec des régions microscopiques périodiques avec une charge moyenne (spin) non nulle dans le matériau. Les théoriciens décrivent de tels systèmes comme un condensat quantique de paires électron-trou. Pour qu'une paire de ce genre se forme, deux vallées sont nécessaires :l'une fournit des électrons, l'autre fournit des trous. C'est la présence de deux vallées dans le système d'origine qui donne naissance à la demi-métallicité de la vallée de spin. En physique des semi-conducteurs, un "trou" est une quasiparticule qui est considérée comme ayant une charge positive.

Pour qu'un matériau avec une onde de densité devienne un demi-métal, il nécessite un traitement spécial appelé dopage. Cela implique l'incorporation d'électrons ou de trous dans l'isolant. Alexandre Rojkov, co-auteur de l'article et chercheur au Département des problèmes de physique et d'énergie du MIPT, explique qu'un système peut être dopé en le soumettant à un champ électrique externe ou à des modifications chimiques de volume ou de surface :« Pour chaque système, un type approprié d'atome dopant, tel que l'azote, phosphore, ou un autre élément—doit être sélectionné. En remplaçant les atomes du système hôte par des impuretés donnant ou acceptant des électrons de conduction, un changement dans les propriétés du matériau d'origine est induit."

La possibilité de doper les matériaux avec des ondes de densité est discutée depuis longtemps dans la littérature. Les systèmes traités par les chercheurs ont différentes phases, y compris spatialement inhomogène - par exemple, états avec ce qu'on appelle la séparation de phase électronique, et les phases avec murs de domaine, souvent appelé « rayures ». Maintenant, les chercheurs ont fait la découverte inattendue de deux nouvelles phases :la demi-métallicité régulière et la demi-métallicité.

Artem Sboychakov, l'un des auteurs de l'article et chercheur principal à l'ITAE RAS, mentionné, "Dans un sens, notre découverte s'est avérée être une surprise même pour nous-mêmes. Le modèle physique qui, nous avons trouvé, a une phase semi-métallique de vallée de spin est classique - elle a été étudiée pendant des décennies. Il appartient maintenant aux expérimentateurs. Il existe de nombreux matériaux décrits de manière adéquate par le modèle que nous avons traité. Je suis donc convaincu que la phase que nous avons prédite finira par être découverte, soit dans un matériau disponible aujourd'hui, soit dans un matériau qui n'a pas encore été synthétisé."