Une équipe de physiciens du MIPT a proposé une nouvelle conception d'une diode de spin, placer le dispositif entre deux types de matériaux antiferromagnétiques. En ajustant l'orientation de leurs axes antiferromagnétiques, il est possible de changer la résistance et la fréquence de résonance de la diode. En outre, cette approche triple la plage de fréquences sur laquelle l'appareil peut redresser le courant alternatif. À la fois, la sensibilité de la diode de spin est comparable à celle de ses analogues semi-conducteurs. Le document a été publié en Examen physique B .

"Les diodes de spin conventionnelles avec des couches ferromagnétiques libres ne fonctionnent qu'à des fréquences prédéterminées qui ne dépassent pas deux à quatre gigahertz, " explique le chercheur senior Konstantin Zvezdin du Laboratoire de physique de l'hétérostructure magnétique et de spintronique pour les technologies de l'information écoénergétiques du MIPT.

"Dans ce document, nous proposons une diode à couches ferromagnétiques pincées par des couches antiferromagnétiques. Cela permet à l'appareil de fonctionner à près de 10 gigahertz, sans sacrifier sa sensibilité de manière significative. Par conséquent, nous élargissons la gamme des applications possibles des diodes de spin pour inclure des choses comme la vision industrielle tout temps basée sur l'holographie micro-ondes, entre autres, " précise le chercheur qui dirige également un projet axé sur la spintronique au Centre quantique russe.

Les appareils électroniques tels que les diodes, transistor, des amplificateurs opérationnels, etc. manipuler des courants électriques. En d'autres termes, leur fonctionnement repose sur le flux de particules chargées - électrons et trous. Dans une diode semi-conductrice, par exemple, il existe une région appelée jonction p-n où un matériau avec une grande concentration en électrons rencontre le matériau avec une grande concentration en trous. Par conséquent, le courant électrique ne peut traverser la jonction que dans un seul sens. À cause de ce, les diodes peuvent être utilisées pour construire un redresseur, c'est-à-dire un appareil qui transforme le courant alternatif (AC) en courant continu (DC).

En plus des frais, les électrons ont une autre propriété importante, tournoyer, qui est un analogue de la mécanique quantique du moment angulaire d'un corps en rotation en physique classique. Ordinairement, les spins des électrons dans un courant électrique sont orientés aléatoirement. Cependant, il est possible de les aligner, résultant en un phénomène particulier appelé courant de spin. La spintronique est l'étude des courants de spin. A présent, les scientifiques ont compris comment fabriquer des nanogénérateurs spintroniques, détecteurs de rayonnement micro-ondes, et des capteurs de champ magnétique qui surpassent leurs analogues électroniques.

Comme une diode semi-conductrice, la diode de spin fonctionne comme un redresseur. Il est réalisé en insérant une couche de matériau diélectrique entre deux ferromagnétiques minces. Le fonctionnement est basé sur des effets appelés magnétorésistance tunnel et couple de transfert de spin. Lorsqu'un courant traverse la première couche ferromagnétique, les spins des électrons s'alignent avec son aimantation, résultant en un courant de spin. Les électrons traversent ensuite le matériau diélectrique et pénètrent dans la deuxième couche ferromagnétique. Selon l'angle entre l'aimantation de cette couche et les spins des électrons, il peut être plus facile ou plus difficile pour eux de passer. Par conséquent, la résistance du dispositif est fonction de l'orientation mutuelle des couches magnétiques (premier effet). À la fois, les électrons essaient de faire tourner la deuxième couche pour faciliter leur passage (second effet). Par conséquent, lorsqu'un courant alternatif traverse la diode, l'aimantation de ses couches - et avec elle, la résistance - oscille avec le courant, le rectifier.

Cela permet de fabriquer des diodes de spin d'une sensibilité supérieure à 100, 000 volts par watt, alors que les diodes Schottky conventionnelles atteignent un maximum de 3, 800. La sensibilité est définie comme le rapport entre la tension continue de sortie et la puissance alternative appliquée. Il indique dans quelle mesure l'appareil peut rectifier un courant électrique. L'un des défauts des diodes de spin est que leur sensibilité est fortement dépendante de la fréquence alternative, pics près d'une certaine résonance et s'estompant rapidement à presque zéro ailleurs. Il convient également de noter que les fréquences de résonance de toutes les diodes de spin précédemment fabriquées ne dépassent pas 2 gigahertz. Cependant, certaines candidatures, parmi eux l'holographie micro-ondes, nécessitent des diodes fonctionnant à des fréquences plus élevées.

Dans leur papier, les physiciens basés sur MIPT décrivent un moyen de prérégler la fréquence de résonance de la diode pendant la fabrication et d'augmenter simultanément sa fréquence de fonctionnement. Pour y parvenir, ils collent la structure ferromagnétique "sandwich" entre deux couches antiferromagnétiques (cf. fig. 1b). Par conséquent, les ferroaimants s'accrochent aux antiferroaimants dans ce qu'on appelle l'épinglage d'échange, permettant l'angle entre les aimantations des ferroaimants (fig. 1a, bas) à contrôler. Cela permet aux chercheurs de régler la résistance et la fréquence de résonance de l'appareil. Pour tester si la conception proposée est réalisable, les scientifiques ont modélisé numériquement une diode de spin avec des couches de plusieurs nanomètres d'épaisseur et étudié ses propriétés.

Dans les matériaux ferromagnétiques et antiferromagnétiques, les spins des atomes présentent un ordre à longue distance, c'est-à-dire la structure se répète. Dans un ferromagnétique, les spins de tous les atomes sont alignés parallèlement à un certain axe, alors que dans les antiferromagnétiques, ils s'orientent perpendiculairement à l'axe. Pour rendre cette image plus réaliste, vous devrez également tenir compte de l'effet des fluctuations thermiques sur les orientations de spin. Une fois une certaine température atteinte, les orientations de spin sont complètement aléatoires par les fluctuations thermiques, ruiner l'ordre à longue portée et transformer le matériau en un para-aimant. Pour les matériaux ferromagnétiques, cette température critique est appelée le point de Curie. Pour les matériaux antiferromagnétiques, elle est connue sous le nom de température de Néel. Une autre caractéristique des matériaux du monde réel est que les spins qu'ils contiennent ne présentent un alignement que sur des régions macroscopiques appelées domaines, pas dans tout le matériel.

Ce que le modèle a montré

L'équipe a d'abord étudié comment l'angle θ entre les aimantations des couches ferromagnétiques dépend de l'angle entre les axes des antiferromagnétiques (fig. 1a, Haut). Le dernier, également connu sous le nom d'angle de brochage antiferromagnétique, peut être contrôlé lors de la fabrication de la diode. Comme le montre la figure 2, ces angles sont liés mais pas identiques. Il s'est avéré que l'angle entre les aimantations ne peut varier qu'entre 110 et 170 degrés. De plus, la dépendance est non linéaire pour l'intervalle de 110 à 140 degrés. Néanmoins, cette marge de manœuvre est suffisante pour contrôler les propriétés de la diode.

Les chercheurs ont ensuite examiné la dépendance de la sensibilité de la diode à la fréquence alternative, fixer l'angle entre les aimantations des couches. Ils ont trouvé que près de la fréquence de résonance, la sensibilité de l'appareil augmente fortement (fig. 3), atteignant environ 1, 000 volts par watt. Cette valeur est inférieure à la sensibilité maximale des diodes de spin précédemment fabriquées, pourtant, il est comparable au même facteur de mérite des diodes semi-conductrices classiques.

Surtout, la fréquence de résonance de la nouvelle diode peut être réglée dans la plage de 8,5 à 9,5 gigahertz en contrôlant l'angle lors de la fabrication du dispositif. Cela dit, les chercheurs n'ont étudié leur conception proposée que théoriquement. La prochaine étape serait de créer un échantillon expérimental et de l'utiliser pour tester leurs prédictions.

Dans une étude antérieure, Les physiciens du MIPT ont excité des tourbillons magnétiques dans des dispositifs spintroniques basés sur un matériau ferromagnétique et un isolant topologique. Ce dernier est un matériau particulier qui agit comme un conducteur en surface mais est par ailleurs un isolant.