Une nouvelle méthode de microscopie développée par une équipe dirigée par l'ORNL comporte quatre pointes de sonde mobiles, est sensible au spin des électrons en mouvement et produit des résultats à haute résolution. En utilisant cette approche, ils ont observé le comportement de spin des électrons à la surface d'un matériau quantique. Crédit :Saban Hus et An-Ping Li/Laboratoire national d'Oak Ridge, Département américain de l'énergie
Une nouvelle méthode qui mesure avec précision le comportement mystérieux et les propriétés magnétiques des électrons circulant à la surface des matériaux quantiques pourrait ouvrir la voie à l'électronique de nouvelle génération.
Présent au cœur des appareils électroniques, les semi-conducteurs à base de silicium reposent sur le courant électrique contrôlé responsable de l'alimentation de l'électronique. Ces semi-conducteurs ne peuvent accéder à la charge des électrons pour l'énergie, mais les électrons font plus que porter une charge. Ils ont également un moment angulaire intrinsèque connu sous le nom de spin, qui est une caractéristique des matériaux quantiques qui, bien qu'insaisissable, peut être manipulé pour améliorer les appareils électroniques.
Une équipe de scientifiques, dirigé par An-Ping Li au laboratoire national d'Oak Ridge du ministère de l'Énergie, a développé une technique de microscopie innovante pour détecter le spin des électrons dans les isolants topologiques, un nouveau type de matériau quantique qui pourrait être utilisé dans des applications telles que la spintronique et l'informatique quantique.
"Le courant de rotation, à savoir le moment cinétique total des électrons en mouvement, est un comportement dans les isolants topologiques qui n'a pas pu être expliqué jusqu'à ce qu'une méthode sensible au spin ait été développée, " dit Li.
Les appareils électroniques continuent d'évoluer rapidement et nécessitent plus de puissance dans des composants plus petits. Cela incite à la nécessité de moins coûteux, alternatives écoénergétiques à l'électronique basée sur la charge. Un isolant topologique transporte le courant électrique le long de sa surface, tandis que plus profondément dans le matériau en vrac, il agit comme un isolant. Les électrons circulant à travers la surface du matériau présentent des directions de spin uniformes, contrairement à un semi-conducteur où les électrons tournent dans des directions différentes.
Une équipe dirigée par l'ORNL a détecté et mesuré avec succès une tension créée sous forme d'électrons, présentant un comportement de particules bizarre appelé courant de spin, déplacé à la surface d'un matériau quantique. Crédit :Saban Hus et An-Ping Li/Laboratoire national d'Oak Ridge, Département américain de l'énergie
"Les appareils basés sur la charge sont moins économes en énergie que ceux basés sur le spin, " a déclaré Li. "Pour que les tours soient utiles, nous devons contrôler à la fois leur flux et leur orientation."
Pour détecter et mieux comprendre ce comportement bizarre des particules, l'équipe avait besoin d'une méthode sensible au spin des électrons en mouvement. Leur nouvelle approche de microscopie a été testée sur un monocristal de Bi
La nouvelle méthode s'appuie sur un microscope à effet tunnel à quatre sondes - un instrument qui peut localiser l'activité atomique d'un matériau avec quatre pointes de sonde mobiles - en ajoutant un composant pour observer le comportement de spin des électrons à la surface du matériau. Cette approche ne comprend pas seulement des mesures de sensibilité de spin. Il confine également le courant à une petite zone en surface, qui aide à empêcher les électrons de s'échapper sous la surface, fournissant des résultats à haute résolution.
"Nous avons détecté avec succès une tension générée par le courant de spin de l'électron, " dit Li, qui a co-écrit un article publié par Lettres d'examen physique ça explique la méthode. "Ce travail fournit des preuves claires du courant de spin dans les isolants topologiques et ouvre une nouvelle voie pour étudier d'autres matériaux quantiques qui pourraient finalement être appliqués dans les dispositifs électroniques de prochaine génération."
