Les chercheurs ont démontré avec succès une méthode pour faire basculer un nouveau matériau entre deux états non volatils différents à des vitesses très élevées et avec une grande précision. Les constituants physiques du dispositif en question sont considérablement robustes contre les influences extérieures telles que les champs magnétiques. Ces découvertes pourraient conduire à un dispositif de mémoire haute vitesse et haute capacité avec une efficacité énergétique élevée.

En 1929, le physicien théoricien Hermann Weyl explorait la nouvelle équation de Dirac, qui décrit beaucoup de choses en physique des particules et a conduit à la découverte de l'antimatière. Il a remarqué que l'équation impliquait l'existence d'une particule sans masse, qui est devenu connu sous le nom de fermion de Weyl. On croyait autrefois que c'était la particule élémentaire du neutrino. Près d'un siècle plus tard, en 2015, le fermion de Weyl a finalement été découvert en réalité, et dans les années qui ont suivi, les physiciens ont commencé non seulement à comprendre, mais de lui trouver des utilisations potentielles. Une équipe comprenant des chercheurs du laboratoire dirigé par le professeur Satoru Nakatsuji de l'Institut de physique des solides et du département de physique de l'Université de Tokyo a trouvé un moyen d'utiliser les fermions de Weyl pour fabriquer des dispositifs de mémoire avancés.

"La spintronique est un mot susceptible d'exciter ceux qui s'intéressent à l'avenir de la technologie. En gros, c'est quelque chose qui pourrait supplanter et remplacer de nombreuses fonctions électroniques dans les appareils actuels, " a expliqué l'associé de recherche Tomoya Higo. " Depuis un certain temps, matériaux ferromagnétiques, des aimants qui se comportent de manière familière, ont été utilisés pour explorer les phénomènes spintroniques. Mais il existe une meilleure classe de matériaux magnétiques à cet effet appelés matériaux antiferromagnétiques, qui semblent plus difficiles à travailler mais qui présentent de nombreux avantages."

Les antiferromagnétiques sont des matériaux intéressants car ils offrent aux chercheurs de nombreuses propriétés utiles qu'offrent les matériaux ferromagnétiques, mais ils sont moins sujets aux champs magnétiques externes en raison d'un arrangement unique de leurs éléments constitutifs. C'est un avantage lorsque l'on travaille vers des dispositifs de mémoire, car la précision et la robustesse sont importantes, mais cette disposition spéciale rend également plus difficile la manipulation du matériau selon les besoins.

"Il n'était pas du tout évident de savoir si vous pouvez contrôler un état antiferromagnétique avec une simple impulsion électrique comme vous pouvez le faire avec un état ferromagnétique, " dit Nakatsuji.

C'est là qu'interviennent les fermions de Weyl. "Dans notre échantillon (alliage antiferromagnétique manganèse-étain Mn 3 Sn), Les fermions de Weyl existent aux points de Weyl dans l'espace des impulsions (pas un espace physique, mais une manière mathématique de représenter les impulsions des particules dans un système). Ces points de Weyl ont deux états possibles qui pourraient représenter des chiffres binaires, " a expliqué le chercheur postdoctoral Hanshen Tsai. " Notre découverte révolutionnaire est que nous pouvons basculer un point de Weyl entre ces états avec un courant électrique externe appliqué aux couches minces voisines de Mn3Sn et de platine ou de tungstène. Cette méthode est appelée commutation de couple spin-orbite."

"Notre découverte indique que le fermion de Weyl sans masse recherché par les physiciens a été trouvé dans notre aimant, et de plus peut être manipulé électriquement, " ajouta Nakatsuji.

Grâce à un très gros signal émis par les fermions de Weyl dans Mn 3 Sn, la détection d'une commutation de couple spin-orbite est possible. Le taux de commutation qui correspond à la vitesse à laquelle la mémoire basée sur une telle technologie peut être écrite ou lue est de l'ordre de milliers de milliards de fois par seconde, ou térahertz. La mémoire des ordinateurs haut de gamme actuels commute quelques milliards de fois par seconde, ou gigahertz. Donc, une fois réalisé, cela pourrait conduire à un bon saut de performance, mais il y a encore du chemin à parcourir.

"Il y avait deux grands défis dans notre étude. L'un était d'optimiser la synthèse de Mn 3 Sn films minces. L'autre était de déterminer le mécanisme de commutation, " a déclaré Higo. " Nous sommes excités non seulement parce que nous avons trouvé des phénomènes intéressants, mais parce que nous pouvons nous attendre à ce que nos découvertes aient des applications importantes à l'avenir. En créant de nouveaux matériaux, nous découvrons de nouveaux phénomènes qui peuvent conduire à de nouveaux dispositifs. Notre recherche est pleine de rêves."

L'étude est publiée dans La nature .