Une équipe de chercheurs du Massachusetts Institute of Technology (MIT) et du Brookhaven National Laboratory du département américain de l'Énergie (DOE) a déterminé comment utiliser les ions hydrogène, "pompé" à partir d'eau dans l'air à température ambiante, pour contrôler électriquement le magnétisme dans un échantillon très mince d'un matériau magnétique. Cette approche de manipulation des propriétés magnétiques pourrait accélérer les progrès de l'informatique, capteurs, et d'autres technologies.

La recherche, décrit dans le 12 novembre 2018, édition en ligne de Matériaux naturels , a été réalisée en partie à Brookhaven's National Synchrotron Light Source II (NSLS-II), une installation utilisateur du DOE Office of Science. Les mesures, prise sur la ligne de faisceau de diffusion cohérente des rayons X mous (CSX) du NSLS-II, ont été essentiels pour révéler le mécanisme microscopique impliqué, en particulier la présence d'ions hydrogène au sein de l'échantillon et leur rôle dans les modifications de la structure magnétique de l'échantillon.

Vers la spintronique grand public

Parmi les nombreuses applications possibles de cette recherche, il y a son potentiel à devenir une nouvelle plate-forme pour le domaine en développement de la spintronique, des appareils basés non seulement sur la charge électronique mais aussi sur le spin électronique, la propriété intrinsèque d'un électron qui le fait agir comme un petit aimant.

Contrairement à l'électronique standard, qui reposent sur la technologie CMOS (complémentaire métal-oxyde semi-conducteur) (utilisée pour fabriquer chacun des milliards de transistors d'une micropuce), les dispositifs spintroniques sont construits sur des matériaux magnétiques, qui contiennent des atomes magnétiques tels que le fer ou le manganèse. Les dispositifs spintroniques peuvent conserver leurs propriétés magnétiques sans alimentation constante, contrairement aux puces électroniques standard, et, car ils génèrent beaucoup moins de chaleur, sont plus économes en énergie.

« Alors que les technologies CMOS approchent de la fin de leur feuille de route, les dispositifs basés sur le spin sont largement recherchés pour l'ère au-delà du CMOS, " a déclaré le chercheur principal de l'étude, Geoffrey Beach du MIT, professeur de science et d'ingénierie des matériaux et codirecteur du Laboratoire de recherche sur les matériaux du MIT. "L'une des exigences pour intégrer la spintronique dans le courant dominant est un moyen efficace de contrôler électriquement le magnétisme. Essentiellement, nous essayons de faire un analogue magnétique d'un transistor."

Une approche pour réaliser ce contrôle consiste à insérer des ions dans la structure qui peuvent se déplacer entre les couches et moduler son comportement électromagnétique. C'est ce qu'on appelle la commutation magnéto-ionique. Les chercheurs ont déjà donné des résultats prometteurs, mais les types d'ions utilisés dans les enquêtes précédentes ont causé plus de problèmes qu'ils n'en ont résolu. Dans cette étude, l'équipe a pu remédier à certains de ces problèmes en utilisant des ions hydrogène (H+), qui sont relativement inoffensifs et aussi les plus petits ions possibles, ce qui les rend idéales pour induire des changements rapides induits par le champ électrique dans les structures à semi-conducteurs.

"La commutation magnéto-ionique est une voie importante vers la manipulation électrique du magnétisme à faible puissance, " a déclaré Wen Hu, chercheur principal à Brookhaven, un scientifique de la ligne de lumière CSX. "Migration des ions hydrogène, commandé par des tensions électriques, joue un rôle clé dans cette recherche et pourrait potentiellement conduire à de nouvelles applications de dispositifs spintroniques. »

Les rayons X confirment la pompe à protons

Les chercheurs ont démontré l'utilisation d'ions hydrogène pour la commutation magnéto-ionique réversible dans une structure en couches constituée d'une base de platine, cobalt, palladium, oxyde de gadolinium, et un contact en or pour couronner le tout. Le palladium (Pd) est bien connu pour sa capacité à stocker l'hydrogène dans les "coins" de son réseau atomique. Placer une tension aux bornes de l'échantillon, et alternant entre une tension positive et négative, peut pomper de l'hydrogène dans et hors de la couche de Pd, basculer le magnétisme dans les deux sens de l'extérieur du plan à l'intérieur du plan. C'est la première fois que des scientifiques démontrent une « hydruration » réversible d'un métal lourd.

Pour vérifier que l'hydrogène a été inséré dans la couche de Pd, le groupe a effectué une spectroscopie d'absorption des rayons X (XAS) sur la ligne de lumière CSX. CSX offre aux chercheurs des outils de diffusion et d'imagerie de rayons X mous à la pointe de la technologie, et a été conçu pour étudier la texture électronique et les comportements des matériaux composites. Avec XAS, les chercheurs peuvent déterminer la structure électronique locale autour d'éléments spécifiques dans leur échantillon - même en détectant de très petits changements - en raison de la nature accordable des rayons X.

"Nous avons effectué des mesures XAS avec un très petit faisceau de rayons X (environ 100 microns) pour viser la partie active de la structure ouvragée. Nous avons observé un net décalage du spectre Pd lors du changement de la tension appliquée à l'échantillon, qui était un signe de la transformation de Pd en PdH, " a déclaré Claudio Mazzoli, scientifique en chef de la ligne de lumière à la ligne de lumière CSX. "Ces mesures ont fourni une preuve directe du mécanisme microscopique se produisant profondément dans l'échantillon. Ainsi, nous savons maintenant que l'insertion d'hydrogène dans l'appareil est l'explication des changements dans les propriétés magnétiques de l'échantillon détectés par des mesures en laboratoire."

"C'est une méthode très nouvelle et unique, et il ouvre une toute nouvelle façon de moduler les champs magnétiques dans les dispositifs à semi-conducteurs, impactant potentiellement les applications spintroniques, " dit Hu.