Comme nos smartphones, ordinateurs portables, et les ordinateurs deviennent plus petits et plus rapides, il en va de même pour les transistors à l'intérieur qui contrôlent le flux d'électricité et stockent les informations. Mais les transistors traditionnels ne peuvent pas rétrécir autant. Maintenant, des chercheurs du Stevens Institute of Technology ont développé un nouveau semi-conducteur magnétique atomiquement mince qui permettra le développement de nouveaux transistors qui fonctionnent d'une manière complètement différente; ils peuvent non seulement exploiter la charge d'un électron, mais aussi la puissance de son spin, fournissant une voie alternative à la création d'électronique toujours plus petite et plus rapide.

Plutôt que de compter sur la fabrication de composants électriques de plus en plus petits, la nouvelle découverte, rapporté dans le numéro d'avril 2020 de Communication Nature , fournit potentiellement une plate-forme critique pour faire avancer le domaine de la spintronique (spin + électronique), une façon fondamentalement nouvelle de faire fonctionner l'électronique et une alternative indispensable à la miniaturisation continue des appareils électroniques standard. En plus de lever la barrière de la miniaturisation, le nouvel aimant atomiquement mince peut également permettre une vitesse de traitement plus rapide, moins de consommation d'énergie et une capacité de stockage accrue.

"Un semi-conducteur ferromagnétique bidimensionnel est un matériau dans lequel le ferromagnétisme et les propriétés semi-conductrices coexistent en un seul, et puisque notre matériel travaille à température ambiante, il nous permet de l'intégrer facilement avec la technologie des semi-conducteurs bien établie, " a déclaré EH Yang, professeur de génie mécanique au Stevens Institute of Technology, qui a mené ce projet.

"L'intensité du champ magnétique dans ce matériau est de 0,5 mT ; alors qu'une intensité de champ magnétique aussi faible ne nous permet pas de prendre un trombone, il est assez grand pour modifier le spin des électrons, qui peut être utilisé pour des applications de bits quantiques, " a déclaré Stefan Strauf, professeur de physique à Stevens.

Lorsque les ordinateurs ont été créés pour la première fois, ils ont rempli une pièce entière, mais maintenant ils peuvent tenir dans votre poche arrière. La raison en est la loi de Moore, ce qui suggère que tous les deux ans, le nombre de transistors qui tiennent sur une puce informatique va doubler, doublant efficacement la vitesse et la capacité d'un gadget. Mais les transistors ne peuvent devenir si petits qu'avant que les signaux électriques qu'ils sont censés contrôler n'obéissent plus à leurs commandes.

Alors que la plupart des prévisionnistes s'attendent à ce que la loi de Moore prenne fin d'ici 2025, approches alternatives, qui ne reposent pas sur une mise à l'échelle physique, ont fait l'objet d'une enquête. Manipuler le spin des électrons, au lieu de compter uniquement sur leur charge, peut apporter une solution à l'avenir.

Construire un nouveau semi-conducteur magnétique à l'aide de matériaux bidimensionnels, c'est-à-dire deux atomes d'épaisseur- permettra le développement d'un transistor pour contrôler l'électricité avec contrôle du spin d'un électron, soit vers le haut, soit vers le bas, tandis que l'ensemble de l'appareil reste léger, souple et transparent.

En utilisant une méthode appelée dopage substitutif in situ, Yang et son équipe ont réussi à synthétiser un semi-conducteur magnétique dans lequel un cristal de bisulfure de molybdène est dopé par substitution avec des atomes de fer isolés. Au cours de ce processus, les atomes de fer lancent certains des atomes de molybdène et prennent leur place, à l'endroit exact, créer un matériau magnétique transparent et flexible - encore une fois, seulement deux atomes d'épaisseur. Le matériau reste magnétisé à température ambiante, et puisqu'il s'agit d'un semi-conducteur, il pourra être directement intégré dans l'architecture existante des appareils électroniques du futur.

Yang et son équipe de Stevens ont travaillé avec plusieurs institutions pour imager le matériau - atome par atome - afin de prouver que les atomes de fer ont remplacé certains des atomes de molybdène. Ces institutions comprenaient l'Université de Rochester, Institut polytechnique Rensselaer, Laboratoire national de Brookhaven, et l'Université de Columbia.

"Pour faire quelque chose de grand en science, vous devez amener les autres à collaborer avec vous, " dit Shichen Fu, un doctorat étudiant en génie mécanique à Stevens. "Cette fois, nous avons réuni toutes les bonnes personnes, des laboratoires avec des forces différentes et des perspectives différentes, pour que cela se produise. »