Sortir des électrons pour faire un tour dans les rues nanoscopiques d'un appareil numérique - sans devenir incontrôlable - est un défi pour les chercheurs depuis des années.

Mais maintenir ce contrôle alors que les particules subatomiques se précipitent vers les processeurs pourrait rapporter un trophée toujours plus prisé :moins cher, des appareils plus rapides et beaucoup plus économes en énergie.

Evgeny Tsymbal et Lingling Tao viennent peut-être d'agiter le drapeau vert – ou du moins d'abandonner le drapeau blanc. Les physiciens de l'Université du Nebraska-Lincoln ont identifié un matériau dont la structure cristalline pourrait mieux soutenir le spin d'un électron :une propriété qui, similaire à la charge, peut représenter des bits d'information dans des appareils numériques.

Les processeurs standard lisent les quantités de charge électrique sous la forme de 1 ou de 0, avec cette charge ouvrant ou fermant une porte qui régule le flux d'électrons. De la même manière, Les dispositifs spintroniques peuvent lire l'orientation du spin d'un électron :vers le haut ou vers le bas. Les appareils qui peuvent parler les deux langues numériques – charge et rotation – sont prêts à traiter et à stocker des informations à des taux qui surpassent facilement les appareils disponibles sur le marché d'aujourd'hui.

Pourtant, l'orientation de spin d'un électron peut basculer sur un caprice quantique, et le fait souvent. C'est un problème pour les ingénieurs électriciens.

Une solution prometteuse consiste à appliquer une tension à la grille qui dicte déjà le flux d'électrons. La tension peut essentiellement "écrire" le spin de ces électrons en haut ou en bas pendant qu'ils circulent, mais des imperfections inévitables dans la structure nanoscopique d'un appareil modifieront également leur élan. Et parce que l'élan affecte le spin, un changement dans la vitesse ou la trajectoire des électrons peut changer leurs états de spin prévus avant qu'ils ne soient lus par un processeur, pouvant entraîner du charabia.

"Le processus devient fondamentalement un retournement aléatoire de rotation, " dit Tsymbal, Professeur de physique et d'astronomie à l'université George Holmes. "Lorsque les électrons arrivent dans la région où ils doivent être détectés, ils perdent les informations codées dans leur orientation de rotation."

Entrez un matériau connu sous le nom d'oxyde de bismuth et d'indium. Sur la base de calculs effectués par le Holland Computing Center de l'université, le matériau cristallin présente un ensemble de symétries atomiques qui semblent épingler le spin d'un électron dans une certaine direction qui est indépendante de sa quantité de mouvement. Si vrai, les ingénieurs pourraient commencer à utiliser la tension pour dicter le spin sans se soucier de la façon dont les défauts affectent la quantité de mouvement d'un électron.

Les symétries atomiques de l'oxyde de bismuth-indium existent probablement dans d'autres matériaux cristallins, Tsymbal a dit, ce qui signifie que les scientifiques des matériaux sont susceptibles de découvrir d'autres candidats.

"Une fois qu'un matériau a cette symétrie cristalline particulière, on peut prétendre que ce matériau devrait également avoir la propriété de maintien du spin, " dit Tsymbal, directeur du Materials Research Science and Engineering Center du Nebraska.

Les appareils spintroniques consomment déjà nettement moins d'énergie que l'électronique standard. Tsymbal a déclaré que la possibilité d'écrire l'orientation du spin en utilisant une tension plutôt qu'un courant électrique pourrait rendre les appareils encore plus efficaces - potentiellement jusqu'à 1, 000 fois plus.

"La spintronique, c'est aussi la recherche liée à l'énergie, car en économisant de l'énergie dans nos appareils électroniques, nous réduisons la consommation d'énergie, " a déclaré Tsymbal. "C'est une question très importante."

Tsymbal et Tao, chercheur postdoctoral en physique et astronomie, ont rapporté leurs découvertes dans le journal Communication Nature .