Une équipe internationale de scientifiques a découvert une nouvelle voie vers des transistors à ultra-basse consommation utilisant un matériau composite à base de graphène.

Alors que les transistors sont comprimés dans des zones de plus en plus petites à l'intérieur des puces informatiques, l'industrie des semi-conducteurs a du mal à contenir la surchauffe dans les appareils.

Aujourd'hui, des chercheurs de l'Université de York et de l'Université Roma Tre pensent que la solution réside dans des matériaux composites construits à partir de monocouches de graphène et de dichalcogénure de métal de transition (TMDC). Ils ont découvert que ces matériaux pourraient être utilisés pour obtenir un contrôle électrique précis du spin de l'électron - sa petite aiguille de boussole.

La nouvelle recherche, publié aujourd'hui dans la revue Lettres d'examen physique , pourrait ouvrir la voie à l'électronique à faible consommation d'énergie dont on a tant besoin.

Chercheur principal Dr Aires Ferreira, du Département de physique de l'Université de York, dit :« Pendant de nombreuses années, nous avons recherché de bons conducteurs permettant un contrôle électrique efficace du spin de l'électron.

"Nous avons découvert que cela peut être réalisé avec peu d'effort lorsque le graphène bidimensionnel est associé à certains matériaux en couches semi-conducteurs. Nos calculs montrent que l'application de petites tensions à travers la couche de graphène induit une polarisation nette des spins de conduction.

« Nous pensons que nos prédictions susciteront un intérêt substantiel de la communauté de la spintronique. La nature atomiquement mince de la structure à base de graphène est un avantage majeur pour les applications. Aussi, la présence d'un composant semi-conducteur ouvre la possibilité d'une intégration avec des réseaux de communication optiques."

Le spin de l'électron est comme un minuscule, aimant ponctuel qui ne peut pointer que dans deux directions, haut ou bas. Dans les matériaux où une fraction majeure des spins des électrons est alignée, une réponse magnétique est produite, qui peut être utilisé pour coder des informations.

Les "courants de spin" - construits à partir de spins "haut" et "bas" circulant dans des directions opposées - ne portent aucune charge nette, et donc en théorie, ne produit aucun chauffage. Le contrôle de l'information de spin ouvrirait donc la voie à des puces informatiques ultra-économes en énergie. L'équipe de chercheurs a montré que lorsqu'un petit courant traverse la couche de graphène, le spin des électrons se polarise dans le plan en raison des forces 'spin-orbitales' provoquées par la proximité de la base TMDC. Ils ont également montré que l'efficacité de la conversion charge-spin peut être assez élevée même à température ambiante.

Manuel Offidani, un étudiant au doctorat avec le département de physique de York, effectué la plupart des calculs complexes de cette étude. Il a déclaré:"La polarisation induite par le courant du spin de l'électron est un phénomène relativiste élégant qui se produit à l'interface entre différents matériaux.

"Nous avons choisi le graphène principalement en raison de ses superbes propriétés structurelles et électroniques. Afin d'améliorer les effets relativistes subis par les porteurs de charge dans le graphène, nous avons étudié la possibilité de le faire correspondre avec des semi-conducteurs en couches récemment découverts."

Professeur Roberto Raimondi, qui dirige le groupe de spintronique à l'université de Roma Tre, a déclaré:"La possibilité d'orienter le spin de l'électron avec des courants électriques attire beaucoup d'attention dans la communauté de la spintronique et se pose généralement en conséquence de conditions de symétrie spécifiques.

« A ce titre, ce phénomène représente un parfait exemple où recherche fondamentale et appliquée font bon ménage. A cet égard, nos calculs démontrent que le graphène combiné avec les dichalcogénures de métaux de transition est une plate-forme idéale où des principes théoriques abstraits peuvent trouver une application immédiate pour montrer la voie au développement expérimental et technologique."

La polarisation de spin induite par le courant dans les milieux non magnétiques a été démontrée pour la première fois en 2001 dans les semi-conducteurs et, plus récemment, dans les hétéro-interfaces métalliques. Maintenant, les chercheurs prédisent qu'un effet similaire se produit dans le graphène sur la monocouche TMDC.

Étonnamment, ils ont découvert que le caractère unique des états électroniques du graphène permet une efficacité de conversion charge-spin allant jusqu'à 94 %. Cela ouvre la possibilité qu'un matériau composite à base de graphène devienne la base de dispositifs à logique de spin ultra-compacts et plus écologiques.

Dr Mirco Milletarì, ancien membre du groupe spintronique de l'université de Roma Tre, a déclaré : « Ce travail fait suite aux connaissances acquises grâce à la compréhension des lois fondamentales qui nous ont permis d'envisager des systèmes où l'efficacité de la conversion charge-spin peut être optimale pour les applications technologiques. En particulier, l'électronique à faible consommation d'énergie si nécessaire qui améliorera la durabilité et les performances des futurs appareils."