Des physiciens de l'Université de Groningue ont réussi à modifier le flux d'ondes de spin à travers un aimant, en utilisant uniquement un courant électrique. Il s'agit d'un grand pas vers le transistor de spin nécessaire à la construction de dispositifs spintroniques. Ceux-ci promettent d'être beaucoup plus économes en énergie que l'électronique conventionnelle. Les résultats ont été publiés le 2 mars dans Lettres d'examen physique .

Le spin est une propriété de la mécanique quantique des électrons. Tout simplement, il fait que les électrons se comportent comme de petites aiguilles de boussole magnétique qui peuvent pointer vers le haut ou vers le bas. Cela peut être utilisé pour transférer ou stocker des informations, créant des dispositifs spintroniques qui promettent plusieurs avantages par rapport à la microélectronique normale.

Dans un ordinateur conventionnel, des dispositifs séparés sont nécessaires pour le stockage des données (souvent à l'aide d'un procédé magnétique) et le traitement des données (transistors électroniques). La spintronique pourrait intégrer les deux dans un seul appareil, il ne serait donc plus nécessaire de déplacer les informations entre les unités de stockage et de traitement. Par ailleurs, les spins peuvent être stockés de manière non volatile, ce qui signifie que leur stockage ne nécessite aucune énergie, contrairement à la mémoire RAM normale. Tout cela signifie que la spintronique pourrait potentiellement fabriquer des ordinateurs plus rapides et plus économes en énergie.

Vague

Pour s'en rendre compte, de nombreuses étapes doivent être franchies et beaucoup de connaissances fondamentales doivent être acquises. Le groupe de physique des nano-dispositifs du professeur de physique Bart van Wees à l'Institut des matériaux avancés Zernike de l'Université de Groningue est à la pointe de ce domaine. Dans leur dernier article, ils présentent un transistor de spin à base de magnons. Magnon, ou faire tourner des vagues, sont un type d'onde qui ne se produit que dans les matériaux magnétiques. 'Vous pouvez voir les magnons comme une vague, ou une particule, comme des électrons', explique Ludo Cornelissen, Doctorant dans le groupe Van Wees et premier auteur de l'article.

Dans leurs expériences, Cornelissen et Van Wees génèrent des magnons dans des matériaux magnétiques, mais aussi électriquement isolant. Les électrons ne peuvent pas voyager à travers l'aimant, mais les vagues peuvent tourner - tout comme une vague dans un stade bouge pendant que les spectateurs restent tous en place. Cornelissen a utilisé une bande de platine pour injecter des magnons dans un aimant en grenat de fer yttrium (YIG). « Quand un courant d'électrons traverse la bande, les électrons sont diffusés par l'interaction avec les atomes lourds, un processus appelé effet Hall de spin. La diffusion dépend du spin de ces électrons, donc les électrons avec spin up et spin down sont séparés.'

Spin flip

A l'interface du platine et du YIG, les électrons rebondissent car ils ne peuvent pas entrer dans l'aimant. 'Quand cela arrive, leur rotation bascule de haut en bas, ou vice versa. Cependant, cela provoque un spin flip parallèle à l'intérieur du YIG, ce qui crée un magnon. Les magnons traversent le matériau et peuvent être détectés avec une seconde bande de platine.

«Nous avons décrit ce transport de spin à travers un aimant il y a quelque temps. Maintenant, nous sommes passés à l'étape suivante :nous voulions influencer le transport.' Cela a été fait en utilisant une troisième bande de platine entre l'injecteur et le détecteur. En appliquant un courant positif ou négatif, il est possible soit d'injecter des magnons supplémentaires dans le canal de conduction, soit d'en drainer des magnons. « Cela rend notre configuration analogue à un transistor à effet de champ. Dans un tel transistor, un champ électrique d'une électrode de grille réduit ou augmente le nombre d'électrons libres dans le canal, arrêtant ou augmentant ainsi le courant.'

Cornelissen et ses collègues montrent que l'ajout de magnons augmente le courant de spin, tandis que les égoutter provoque une réduction significative. « Bien que nous n'ayons pas encore pu couper complètement le courant magnon, cet appareil agit comme un transistor', dit Cornelissen. La modélisation théorique montre que la réduction de l'épaisseur de l'appareil peut augmenter suffisamment l'épuisement des magnons pour arrêter complètement le courant de magnon.

Supraconductivité

Mais il existe une autre option intéressante, explique le superviseur de Cornelissen, Bart van Wees :« Dans un appareil plus fin, il pourrait être possible d'augmenter la quantité de magnons dans le canal à un niveau où ils formeraient un condensat de Bose-Einstein.' C'est le phénomène qui est responsable de la supraconductivité. Et cela se produit à température ambiante, contrairement à la supraconductivité normale, qui ne se produit qu'à très basse température.

L'étude montre qu'un transistor de spin YIG peut être réalisé, et qu'à long terme ce matériau pourrait même produire un supraconducteur de spin. La beauté du système est que l'injection de spin et le contrôle des courants de spin sont réalisés avec un simple courant continu, rendre ces dispositifs spintroniques compatibles avec l'électronique normale. "Notre prochaine étape est de voir si nous pouvons réaliser cette promesse", conclut Van Wees.