Ingénieurs de l'Université de Californie, Bord de rivière, ont signalé des progrès dans les dispositifs dits « spintroniques » qui contribueront à conduire à une nouvelle technologie de calcul et de stockage de données. Ils ont développé des méthodes pour détecter les signaux de composants spintroniques en métaux et silicium à faible coût, qui surmonte un obstacle majeur à une large application de la spintronique. Auparavant, de tels dispositifs dépendaient de structures complexes qui utilisaient des métaux rares et coûteux tels que le platine. Les chercheurs étaient dirigés par Sandeep Kumar, un professeur adjoint de génie mécanique.

Les dispositifs spintroniques promettent de résoudre les problèmes majeurs des ordinateurs électroniques d'aujourd'hui, en ce que les ordinateurs utilisent des quantités massives d'électricité et génèrent de la chaleur qui nécessite de dépenser encore plus d'énergie pour le refroidissement. Par contre, Les dispositifs spintroniques génèrent peu de chaleur et utilisent des quantités relativement infimes d'électricité. Les ordinateurs spintroniques n'auraient besoin d'aucune énergie pour conserver les données en mémoire. Ils démarreraient également instantanément et auraient le potentiel d'être beaucoup plus puissants que les ordinateurs d'aujourd'hui.

Alors que l'électronique dépend de la charge des électrons pour générer les uns ou les zéros binaires des données informatiques, La spintronique dépend de la propriété des électrons appelée spin. Les matériaux spintroniques enregistrent des données binaires via l'orientation de spin "vers le haut" ou "vers le bas" des électrons, comme le nord et le sud des aimants en barre, dans les matériaux. Un obstacle majeur au développement de dispositifs spintroniques est la génération et la détection des signaux de spin électriques infinitésimaux dans les matériaux spintroniques.

Dans un article publié dans le numéro de janvier de la revue scientifique Lettres de physique appliquée , Kumar et ses collègues ont rapporté une technique efficace de détection des courants de spin dans un simple sandwich à deux couches de silicium et d'un alliage nickel-fer appelé Permalloy. Les trois composants sont à la fois peu coûteux et abondants et pourraient constituer la base de dispositifs spintroniques commerciaux. Ils fonctionnent également à température ambiante. Les couches ont été créées avec les procédés de fabrication électronique largement utilisés appelés pulvérisation cathodique. Les co-auteurs de l'article étaient les étudiants diplômés Ravindra Bhardwaj et Paul Lou.

Dans leurs expériences, les chercheurs ont chauffé un côté du sandwich bicouche Permalloy-silicium pour créer un gradient de température, qui a généré une tension électrique dans la bicouche. La tension était due à un phénomène connu sous le nom d'effet spin-Seebeck. Les ingénieurs ont découvert qu'ils pouvaient détecter le "courant de spin" résultant dans la bicouche en raison d'un autre phénomène connu sous le nom d'"effet Hall de spin inverse".

Les chercheurs ont déclaré que leurs découvertes s'appliqueraient à une commutation magnétique efficace dans les mémoires d'ordinateurs, et "ces percées scientifiques peuvent donner une impulsion" au développement de tels dispositifs. Plus généralement, ils ont conclu, "Ces résultats placent le Si (silicium) omniprésent à l'avant-garde de la recherche en spintronique et jetteront les bases de dispositifs de spintronique Si et de caloritronique de spin Si économes en énergie."

Dans deux autres articles scientifiques, les chercheurs ont démontré qu'ils pouvaient générer une propriété clé pour les matériaux de spintronique, appelé antiferromagnétisme, en silicium. La réalisation ouvre une voie importante à la spintronique commerciale, ont dit les chercheurs, étant donné que le silicium est peu coûteux et peut être fabriqué en utilisant une technologie mature avec une longue histoire d'application en électronique.

Le ferromagnétisme est la propriété des matériaux magnétiques dans lesquels les pôles magnétiques des atomes sont alignés dans la même direction. En revanche, l'antiferromagnétisme est une propriété dans laquelle les atomes voisins sont orientés magnétiquement dans des directions opposées. Ces "moments magnétiques" sont dus au spin des électrons dans les atomes, et est au cœur de l'application des matériaux en spintronique.

Dans les deux journaux, Kumar et Lou ont signalé avoir détecté un antiferromagnétisme dans les deux types de silicium, appelés type n et type p, utilisés dans les transistors et autres composants électroniques. Le silicium semi-conducteur de type N est « dopé » avec des substances qui lui confèrent une abondance d'électrons chargés négativement; et le silicium de type p est dopé pour avoir une grande concentration de "trous" chargés positivement. La combinaison des deux types permet la commutation de courant dans des dispositifs tels que les transistors utilisés dans les mémoires d'ordinateurs et autres appareils électroniques.

Dans le journal du Journal du magnétisme et des matériaux magnétiques , Lou et Kumar ont signalé la détection de l'effet spin-Hall et de l'antiferromagnétisme dans le n-silicium. Leurs expériences ont utilisé un film mince multicouche comprenant du palladium, Permalloy nickel-fer, oxyde de manganèse et n-silicium.

Et dans le deuxième article, dans la revue scientifique statut physique solidi , ils ont rapporté avoir détecté dans le silicium p un antiferromagnétisme entraîné par spin et une transition du silicium entre les propriétés du métal et de l'isolant. Ces expériences ont utilisé un film mince similaire à ceux avec le n-silicium.

Les chercheurs ont écrit dans ce dernier article que "Le comportement antiferromagnétique émergent observé peut jeter les bases de la spintronique du Si (silicium) et peut changer tous les champs impliquant des films minces de Si. Ces expériences présentent également un potentiel de contrôle électrique du comportement magnétique en utilisant la physique de l'électronique des semi-conducteurs simple. Le grand changement observé dans la résistance et la dépendance au dopage de la transformation de phase encourage le développement de dispositifs antiferromagnétiques et de spintronique à changement de phase."

Dans d'autres études, Kumar et ses collègues développent une technologie pour activer et désactiver les courants de spin dans les matériaux, dans le but ultime de créer un transistor de spin. Ils s'efforcent également de générer de plus grandes, puces spintroniques à plus haute tension. Le résultat de leur travail pourrait être une puissance extrêmement faible, transmetteurs et capteurs compacts, ainsi qu'un stockage de données et des mémoires informatiques écoénergétiques, dit Kumar.