Une équipe de physiciens a découvert une méthode de détection électrique des ondes électromagnétiques térahertz, qui sont extrêmement difficiles à détecter. La découverte pourrait aider à miniaturiser l'équipement de détection sur les puces électroniques et à améliorer la sensibilité.

Le terahertz est une unité de fréquence des ondes électromagnétiques :un gigahertz équivaut à 1 milliard de hertz; 1 térahertz est égal à 1, 000 gigahertz. Plus la fréquence est élevée, plus la transmission des informations est rapide. Téléphones portables, par exemple, fonctionner à quelques gigahertz.

La découverte, rapporté aujourd'hui dans La nature , est basé sur un phénomène de résonance magnétique dans les matériaux antiferromagnétiques. De tels matériaux, aussi appelés antiferromagnétiques, offrent des avantages uniques pour les applications de dispositifs nanométriques ultrarapides et à base de spin.

Les chercheurs, dirigé par le physicien Jing Shi de l'Université de Californie, Bord de rivière, généré un courant de spin, une grandeur physique importante en spintronique, dans un antiferromagnétique et ont pu le détecter électriquement. Pour accomplir cet exploit, ils ont utilisé un rayonnement térahertz pour pomper la résonance magnétique dans la chromie afin de faciliter sa détection.

Dans les ferromagnétiques, comme un barreau aimanté, les spins des électrons pointent dans la même direction, haut ou bas, fournissant ainsi une force collective aux matériaux. Dans les antiferromagnétiques, l'arrangement atomique est tel que les spins des électrons s'annulent, avec la moitié des tours pointant dans la direction opposée de l'autre moitié, soit vers le haut, soit vers le bas.

L'électron a un moment angulaire de spin intégré, qui peut précéder comme une toupie précesse autour d'un axe vertical. Lorsque la fréquence de précession des électrons correspond à la fréquence des ondes électromagnétiques générées par une source externe agissant sur les électrons, la résonance magnétique se produit et se manifeste sous la forme d'un signal fortement amélioré qui est plus facile à détecter.

Afin de générer une telle résonance magnétique, l'équipe de physiciens de l'UC Riverside et de l'UC Santa Barbara a travaillé avec 0,24 terahertz de rayonnement produit dans les installations Terahertz de l'Institute for Terahertz Science and Technology sur le campus de Santa Barbara. Cela correspondait étroitement à la fréquence de précession des électrons dans la chromie. La résonance magnétique qui a suivi a entraîné la génération d'un courant de spin que les chercheurs ont converti en une tension continue.

"Nous avons pu démontrer que la résonance antiferromagnétique peut produire une tension électrique, un effet spintronique qui n'a jamais été fait expérimentalement auparavant, " dit Shi, professeur au Département de physique et d'astronomie.

Shi, qui dirige le Centre de recherche Energy Frontier, financé par le Département de l'énergie, Spins and Heat in Nanoscale Electronic Systems, ou BRILLE, à UC Riverside, expliqué que les rayonnements subtérahertz et térahertz sont un défi à détecter. La technologie de communication actuelle utilise des micro-ondes gigahertz.

"Pour une bande passante plus élevée, cependant, la tendance est d'aller vers les micro-ondes térahertz, " Shi a dit.  " La génération de micro-ondes térahertz n'est pas difficile, mais leur détection est. Notre travail a maintenant fourni une nouvelle voie pour la détection térahertz sur une puce."

Bien que les antiferromagnétiques soient statiquement inintéressants, ils sont dynamiquement intéressants. La précession du spin des électrons dans les antiferroaimants est beaucoup plus rapide que dans les ferroaimants, résultant en des fréquences qui sont de deux à trois ordres de grandeur plus élevées que les fréquences des ferroaimants, permettant ainsi une transmission plus rapide des informations.

"La dynamique de spin dans les antiferromagnétiques se produit à une échelle de temps beaucoup plus courte que dans les ferroaimants, qui offre des avantages intéressants pour les applications potentielles de dispositifs ultrarapides, " dit Shi.

Les antiferroaimants sont omniprésents et plus abondants que les ferroaimants. De nombreux ferroaimants, comme le fer et le cobalt, deviennent antiferromagnétiques lorsqu'ils sont oxydés. De nombreux antiferromagnétiques sont de bons isolants avec une faible dissipation d'énergie. Le laboratoire de Shi possède une expertise dans la fabrication d'isolants ferromagnétiques et antiferromagnétiques.

L'équipe de Shi a développé une structure bicouche composée de chrome, un isolant antiferromagnétique, avec une couche de métal au-dessus pour servir de détecteur pour détecter les signaux de chromie.

Shi a expliqué que les électrons dans la chromie restent locaux. Ce qui traverse l'interface, ce sont des informations codées dans les spins de précession des électrons.

"L'interface est critique, " dit-il. " La sensibilité au spin aussi. "

Les chercheurs ont abordé la sensibilité du spin en se concentrant sur le platine et le tantale comme détecteurs de métaux. Si le signal de la chromie provient du spin, le platine et le tantale enregistrent le signal avec une polarité opposée. Si le signal est causé par le chauffage, cependant, les deux métaux enregistrent le signal avec une polarité identique.

"Il s'agit de la première génération et détection réussies de courants de spin purs dans des matériaux antiferromagnétiques, qui est un sujet brûlant en spintronique, " a déclaré Shi. " La spintronique antiferromagnétique est un objectif majeur de SHINES. "