Schéma de l'expérience d'injection de spin. Crédit :J.C.W. Song et Y.D. Chong
L'électronique a progressé grâce à des améliorations continues de la technologie des microprocesseurs depuis les années 1960. Cependant, ce processus de raffinement devrait s'arrêter dans un proche avenir en raison des contraintes imposées par les lois de la physique. Certains de ces goulots d'étranglement ont déjà pris effet. Par exemple, les vitesses d'horloge des processeurs n'ont pas dépassé quelques gigahertz, ou plusieurs opérations par nanoseconde, depuis 20 ans, une limitation provenant de la résistance électrique du silicium. Cela a conduit à une recherche mondiale de plus en plus urgente d'alternatives supérieures à l'électronique à semi-conducteurs.
L'un des principaux candidats, spintronique, est basé sur l'idée de transporter l'information via le spin des électrons. L'utilisation de courants de spin pour transmettre des informations est une perspective passionnante car elle implique une consommation d'énergie inférieure à celle des courants électriques ordinaires. Il y a, cependant, nombreuses difficultés pratiques à surmonter. L'un des plus graves est le problème d'injection de spin, transférer un courant de spin d'un matériau à un autre (par exemple, d'un métal magnétique à un semi-conducteur). Cela a tendance à brouiller les tours, détruire les informations qu'ils véhiculent.
Maintenant, une percée dans la vitesse et l'efficacité de la spintronique a été réalisée par une équipe de scientifiques de l'Université technologique de Nanyang (NTU), l'Université nationale de Singapour (NUS), et l'Agence pour la science, Technologie et Recherche (A*STAR) à Singapour, ainsi que Los Alamos National Lab aux États-Unis. Ils ont montré qu'une impulsion ultracourte de courant de spin, durant moins d'une picoseconde (un trillionième de seconde), peut être injecté d'un métal à un semi-conducteur avec une efficacité étonnante, battre le précédent record d'injection de spin de plus de 10 000 fois. Ces résultats ont été décrits dans une paire d'articles récemment publiés dans les principales revues scientifiques Physique de la nature et Matériaux avancés .
Dans ces expériences, des impulsions de courant de spin ultracourtes sont produites en projetant une impulsion laser sur du cobalt, un métal magnétique. Cela génère un essaim d'électrons excités avec une polarisation de spin, ce qui signifie que les spins pointent principalement dans la même direction. Les électrons porteurs de spin se déplacent ensuite vers l'extérieur, diffusion dans d'autres matériaux adjacents.
"Nous voulions montrer que ces impulsions de courant de spin ultracourtes peuvent être utilisées pour une injection de spin efficace, " dit Marco Battiato, professeur assistant Nanyang à NTU et membre de l'équipe de recherche, qui avait avancé la première prédiction théorique de ce phénomène en 2016. Il note que la diffusion vers l'extérieur des impulsions de courant de spin se déroule sur plusieurs centaines de femtosecondes (une femtoseconde est un millième de picoseconde). C'est jusqu'à 1000 fois plus rapide que les appareils électroniques conventionnels, ce qui le rend potentiellement utile pour les futurs dispositifs spintroniques à grande vitesse.
Photographie de quatre des membres de l'équipe. De gauche à droite :Prof. Justin C. W. Song, Dr L. Cheng, Pr Elbert Chia, et le professeur Marco Battiato. Crédit :Mohamed Fadly
La vitesse extrême de la diffusion du spin, bien que passionnant, rend également le phénomène difficile à étudier dans des expériences utilisant les technologies électroniques actuelles. "Nous avons dû concevoir une stratégie minutieuse pour mesurer les courants de spin circulant dans la partie semi-conductrice de l'appareil, " déclare le professeur agrégé Elbert Chia, qui a supervisé la partie expérimentale du projet à NTU. "Pour y parvenir, nous avons utilisé un semi-conducteur contenant des éléments lourds, qui convertit les courants de spin en courants électriques ultracourts. L'ensemble de l'échantillon devient alors une antenne électromagnétique, émettant un rayonnement à des fréquences térahertz (intermédiaire entre les micro-ondes et la lumière infrarouge). Nous sommes capables de mesurer ce rayonnement, puis revenez en arrière pour déterminer le courant de rotation d'origine."
En sélectionnant soigneusement les matériaux de leur dispositif spintronique, l'équipe a pu montrer de manière concluante qu'un courant polarisé en spin était injecté dans le semi-conducteur. Étonnamment, la force de ce courant de spin s'est avérée supérieure à 10, 000 fois plus grand que le précédent record. "Dans les appareils réels, de tels courants de spin ne seront pas nécessaires, on peut donc s'en tirer avec des excitations considérablement plus faibles, " note le professeur agrégé Chia. Dans les expériences de suivi, les auteurs ont pu déterminer combien de temps il a fallu pour que le courant de spin se forme et se désintègre.
« L'aspect le plus frappant est peut-être que tout cela a été démontré à l'aide d'une simple interface métal-semi-conducteur, sans l'ingénierie structurelle compliquée et coûteuse que l'on voit dans d'autres expériences de spintronique, " dit le professeur adjoint de Nanyang, Justin Song, un physicien théoricien et membre de la National Research Foundation (NRFF) qui faisait également partie du projet. Les échantillons ont été fabriqués par le groupe de recherche du professeur agrégé Hyunsoo Yang à NUS.
« Ces résultats représentent une étape fondamentale dans le développement de la spintronique ultrarapide basée sur la superdiffusion du courant de spin, " dit le professeur assistant de Nanyang Battiato. À l'avenir, l'équipe envisage que ce processus d'injection de spin efficace devienne l'une des technologies clés derrière les ordinateurs spintroniques à grande vitesse.
