Lorsque le minéralogiste allemand Gustav Rose se tenait sur les pentes des montagnes russes de l'Oural en 1839 et ramassa un morceau d'un minéral jusqu'alors inconnu, il n'avait jamais entendu parler de transistors ou de diodes ou n'avait aucune idée de la façon dont l'électronique conventionnelle deviendrait une partie intégrante de notre vie quotidienne. Il n'aurait pas pu prévoir que le rocher qu'il tenait dans sa main, qu'il nomma « pérovskite, " pourrait être une clé pour révolutionner l'électronique telle que nous la connaissons.

En 2017, Le physicien de l'Université de l'Utah, Valy Vardeny, a qualifié la pérovskite de "matériau miracle" pour un domaine émergent de l'électronique de nouvelle génération, appelé spintronique, et il s'en tient à cette affirmation. Dans un article publié aujourd'hui dans Communication Nature , Vardény, avec Jingying Wang, Dali Sun (maintenant à l'Université d'État de Caroline du Nord) et ses collègues présentent deux dispositifs construits à l'aide de pérovskite pour démontrer le potentiel du matériau dans les systèmes spintroniques. Ses propriétés, Vardeny dit, rapprocher le rêve d'un transistor spintronique de la réalité.

Spintronique

Un système électronique numérique conventionnel transmet un signal binaire (pensez à des 1 et à des 0) à travers des impulsions d'électrons transportées à travers un fil conducteur. La spintronique peut véhiculer des informations supplémentaires via une autre caractéristique des électrons, leur direction de rotation (pensez vers le haut ou vers le bas). Le spin est lié au magnétisme. Ainsi, la spintronique utilise le magnétisme pour aligner les électrons d'un certain spin, ou « injecter » du spin dans un système.

Si vous avez déjà fait l'ancienne expérience scientifique consistant à transformer un clou en aimant en faisant glisser à plusieurs reprises un aimant sur toute sa longueur, alors vous avez déjà touché à la spintronique. L'aimant transfère les informations à l'ongle. L'astuce consiste alors à transporter et à manipuler ces informations, ce qui nécessite des appareils et des matériaux aux propriétés finement réglées. Les chercheurs travaillent vers le jalon d'un transistor de spin, une version spintronique des composants électroniques que l'on trouve dans pratiquement toute l'électronique moderne. Un tel dispositif nécessite un matériau semi-conducteur dans lequel un champ magnétique peut facilement manipuler la direction du spin des électrons, une propriété appelée couplage spin-orbite. Ce n'est pas facile de construire un tel transistor, dit Wang. "Nous continuons à rechercher de nouveaux matériaux pour voir s'ils sont plus adaptés à cet usage."

C'est ici que les pérovskites entrent en jeu.

Pérovskites

Les pérovskites sont une classe de minéraux avec une structure atomique particulière. Leur valeur en tant que matériau technologique n'est devenue apparente qu'au cours des 10 dernières années. En raison de cette structure atomique, les chercheurs ont développé la pérovskite en un matériau pour la fabrication de panneaux solaires. En 2018, ils avaient atteint une efficacité allant jusqu'à 23 % de l'énergie solaire convertie en énergie électrique, un grand pas en avant par rapport à 3,8 % en 2009.

En attendant, Vardeny et ses collègues exploraient les possibilités de la spintronique et les divers matériaux qui pourraient s'avérer efficaces pour transmettre le spin. En raison des atomes de plomb lourds dans la pérovskite, les physiciens ont prédit que le minéral pourrait posséder un fort couplage spin-orbite. Dans un article de 2017, Vardeny et la professeure adjointe de physique Sarah Li ont montré qu'une classe de pérovskites appelées pérovskites hybrides organiques-inorganiques possède en effet un grand couplage spin-orbite. Aussi, la durée de vie du spin injecté dans les matériaux hybrides est relativement longue. Les deux résultats suggèrent que ce type de pérovskite hybride est prometteur en tant que matériau de spintronique.

Deux dispositifs spintroniques

L'étape suivante, que Vardeny et Wang ont accompli dans leurs travaux récents, était d'incorporer la pérovskite hybride dans les dispositifs spintroniques. Le premier dispositif est une diode électroluminescente spintronique, ou LED. Le semi-conducteur d'une LED traditionnelle contient des électrons et des trous - des endroits dans les atomes où les électrons devraient être, mais ne le sont pas. Lorsque les électrons traversent la diode, ils remplissent les trous et émettent de la lumière.

Wang dit qu'une LED spintronique fonctionne de la même manière, mais avec une électrode magnétique, et avec des trous d'électrons polarisés pour accueillir des électrons d'un certain spin. La LED s'est allumée avec une électroluminescence à polarisation circulaire, Wang dit, montrant que l'électrode magnétique a réussi à transférer des électrons polarisés en spin dans le matériau.

"Il n'est pas évident que si vous mettez un semi-conducteur et un ferromagnétique ensemble, vous obtenez une injection de spin, " ajoute Vardeny. " Il faut le prouver. Et ils l'ont prouvé."

Le deuxième appareil est une vanne de spin. Des dispositifs similaires existent déjà et sont utilisés dans des dispositifs tels que les disques durs d'ordinateurs. Dans une vanne d'essorage, un champ magnétique externe fait basculer la polarité des matériaux magnétiques dans la vanne entre une ouverture, état de faible résistance et un fermé, état de haute résistance.

La valve de spin de Wang et Vardeny fait plus. Avec la pérovskite hybride comme matériau de l'appareil, les chercheurs peuvent injecter du spin dans l'appareil, puis faire précéder le spin, ou vaciller, dans l'appareil par manipulation magnétique.

C'est une grosse affaire, disent les chercheurs. "Vous pouvez développer une spintronique qui n'est pas seulement utile pour l'enregistrement d'informations et le stockage de données, mais aussi le calcul, " dit Wang. " C'était un objectif initial pour les personnes qui ont commencé le domaine de la spintronique, et c'est ce sur quoi nous travaillons toujours."

Pris ensemble, ces expériences montrent que la pérovskite fonctionne comme un semi-conducteur spintronique. L'objectif ultime d'un transistor basé sur le spin est encore à quelques pas, mais cette étude jette des bases importantes pour la voie à suivre.

"Ce que nous avons fait, c'est prouver que ce que les gens pensaient possible avec la pérovskite se produit réellement, " dit Vardeny. "C'est un grand pas."