En 1991, Le chimiste de l'Université de l'Utah, Joel Miller, a développé le premier aimant à base de carbone, ou bio, composants stables à température ambiante. C'était une grande avancée dans le magnétisme, et depuis, il explore les applications.

Vingt-cinq ans plus tard, les physiciens Christoph Boehme et Valy Vardeny ont démontré une méthode pour convertir les ondes quantiques en courant électrique. Eux aussi, savaient qu'ils avaient découvert quelque chose d'important, mais je ne connaissais pas son application.

Maintenant, ces technologies se sont réunies et pourraient être le premier pas vers une nouvelle génération de électronique plus efficace et plus flexible.

Travailler ensemble, Meunier, Boehme, Vardeny et leurs collègues ont montré qu'un aimant à base organique peut transporter des ondes d'aimantation mécanique quantique, appelés magnons, et convertir ces ondes en signaux électriques. C'est une percée pour le domaine de la magnétique (systèmes électroniques qui utilisent des magnons à la place des électrons) car les magnons étaient auparavant envoyés à travers des matériaux inorganiques plus difficiles à manipuler.

"En allant vers ces matières organiques, nous avons l'opportunité de pousser la magnonique dans un domaine qui est plus contrôlable que les matériaux inorganiques, " dit Miller. Leurs résultats sont publiés aujourd'hui dans Matériaux naturels.

Comment fonctionne la magnonique

Avant de procéder, parlons de ce qu'est un magnon et comment il peut être utilisé en électronique. L'électronique actuelle utilise des électrons pour transporter des informations le long des fils. Magnons peut également conduire l'information à travers des matériaux, mais au lieu d'être composé d'électrons, les magnons sont des ondes composées d'une propriété quantique appelée spin.

Imaginez un stade de football, rempli de fans enthousiastes levant les bras pour encourager leur équipe. Disons que la direction dans laquelle leurs bras pointent est l'orientation de leur rotation. Si chaque fan tient ses bras tendus en l'air simultanément, alors l'orientation de rotation de tout le monde est la même et ils ont fait, en substance, un aimant.

Maintenant, la foule commence "La Vague, " sauf au lieu de rester debout et assis, une allée de fans incline les bras vers la droite. L'allée suivante reprend ce changement de rotation et le transmet à la rangée suivante. Avant longtemps, cet aimant a une vague à base de spin qui parcourt le stade.

La version quantique de l'onde basée sur le spin est un magnon.

« Maintenant, vous avez un moyen de diffuser des informations dans un matériau, " dit Boehme, professeur de physique et co-auteur de l'article. " Vous pouvez penser à la magnétisme comme à l'électronique. Vous avez des circuits et lorsque vous parvenez à construire une logique numérique à partir de cela, vous pouvez également construire des ordinateurs."

Bien, pas encore. Bien que les magnons soient connus de la science depuis des décennies, ce n'est que récemment que leur potentiel pour l'électronique du bâtiment a été réalisé.

Actuellement, la plupart des chercheurs en magnétisme utilisent le grenat de fer et d'yttrium (YIG) comme matériau porteur d'ondes. C'est cher et difficile à produire, en particulier sous forme de film mince ou de fil. Boehme dit qu'il a déjà envisagé d'incorporer le YIG dans l'un de ses instruments et qu'il a dû abandonner car le matériau s'est avéré si problématique pour gérer cette application particulière.

Assembler l'équipe

Boehme et Vardeny, éminent professeur de physique, étudier également le domaine des alternatives à l'électronique appelées spintronique, dont magnonics est un sous-champ. En 2016, ils ont montré comment observer directement « l'effet Hall de spin inverse, " un moyen de convertir les ondes de spin en courant électrique.

Ils ont commencé à travailler avec Miller par le biais d'un centre de recherche scientifique et technique sur les matériaux (MRSEC) financé par la National Science Foundation à l'Université de l'Utah. En 1991, Miller avait produit le premier matériau magnétique utilisant des matières organiques, ou à base de carbone, Composants. Les trois ont décidé de tester l'aimant organique de Miller pour voir s'il pouvait être utilisé comme alternative au YIG dans les matériaux magnétiques. Ils ont testé la résonance de spin électronique (ESR), une mesure de la durée de vie des magnons dans le matériau. Plus la ligne ESR est étroite, plus les magnons ont une durée de vie plus longue.

La ligne était vraiment très étroite, dit Vardeny. "C'est un enregistrer ligne étroite."

Mais en travaillant avec l'aimant à base organique, connu sous le nom de vanadium tétracyanoéthylène ou V(TCNE) X , présentait encore quelques défis. Le matériau est très sensible à l'oxygène, semblable à des aimants de terres rares. "Si c'est fraîchement préparé, ça va probablement prendre feu, " dit Miller. " Il va perdre son magnétisme. " L'équipe avait besoin de gérer les couches minces de V(TCNE) X dans des conditions de faible teneur en oxygène.

Mener des expériences nécessitait un concert d'activités, avec les membres de l'équipe de recherche chacun à sa place au bon moment pour poursuivre la phase suivante de l'expérience.

"Comptez le nombre d'auteurs sur le papier, " dit Boehme. (Il y en a 14.) " A chaque fois que nous faisions une expérience, tout le monde devait se tenir là et être prêt à temps pour participer à ce processus. Les données.

Tous les essais expérimentaux n'ont pas été couronnés de succès. Tôt, l'équipe a appris que le connecteur en cuivre qu'ils utilisaient pour convertir les magnons en électricité à l'aide de l'effet Hall à spin inverse réagissait avec le V(TCNE) X et ne fonctionnerait donc pas. Un passage aux contacts en platine lors de l'exécution suivante a réussi.

Des résultats prometteurs

À la fin, l'équipe a signalé qu'elle était capable de générer des magnons stables dans des aimants organiques et de convertir ces ondes de spin en signaux électriques, un tremplin majeur. La stabilité des magnons dans le V(TCNE) X était aussi bon que celui de YIG.

Les chercheurs espèrent que cette avancée mènera à davantage de progrès vers la magnétisme remplaçant l'électronique, puisque les systèmes magnéniques pourraient être plus petits et plus rapides que les systèmes actuels avec moins de pertes de chaleur et beaucoup moins d'énergie requise. L'électronique conventionnelle fonctionne sur une échelle de volts, dit Boehme. Les magnons fonctionnent sur une échelle de millivolts, contenant environ 1, 000 fois moins d'énergie.

L'équipe espère ensuite travailler sur des circuits magnétiques utilisant V(TCNE) X , et aussi tester d'autres matériaux. "Il existe de nombreux aimants à base organique, " dit Boehme. " Il n'y a aucune raison de croire que si vous en choisissez un au hasard, c'est forcément le meilleur."

C'est encore à voir, bien que, ce que la promesse de la magnonique pourrait apporter au-delà plus rapidement, électronique plus petite et plus efficace. "On ne peut pas anticiper, " Miller dit, "ce que nous ne pouvons pas anticiper."