Les physiciens de NUS ont démontré le contrôle du magnétisme dans un semi-conducteur magnétique via des moyens électriques, ouvrant la voie à de nouveaux dispositifs spintroniques.

Les semi-conducteurs sont au cœur des technologies de traitement de l'information. Sous forme de transistor, les semi-conducteurs agissent comme un interrupteur pour la charge électrique, permettant de basculer entre les états binaires zéro et un. Matériaux magnétiques, d'autre part, sont un composant essentiel des dispositifs de stockage d'informations. Ils exploitent le degré de liberté de spin des électrons pour réaliser des fonctions de mémoire. Les semi-conducteurs magnétiques sont une classe unique de matériaux qui permettent de contrôler à la fois la charge électrique et le spin, permettant potentiellement le traitement de l'information et les opérations de mémoire sur une seule plate-forme. Le principal défi est de contrôler les spins des électrons, ou magnétisation, utilisant des champs électriques, de la même manière, un transistor contrôle la charge électrique. Cependant, le magnétisme a généralement une faible dépendance aux champs électriques dans les semi-conducteurs magnétiques, et l'effet est souvent limité aux températures cryogéniques.

Une équipe de recherche dirigée par le professeur Goki EDA du département de physique et du département de chimie, et le Center for Advanced 2-D Materials, NOUS, en collaboration avec le professeur Hidekazu KUREBAYASHI du London Centre for Nanotechnology, Collège universitaire de Londres, découvert que le magnétisme d'un semi-conducteur magnétique, Cr 2 Gé 2 Te 6 , montre une réponse exceptionnellement forte aux champs électriques appliqués. Avec des champs électriques appliqués, le matériau s'est avéré présenter un ferromagnétisme (un état dans lequel les spins des électrons s'alignent spontanément) à des températures allant jusqu'à 200 K (-73°C). A de telles températures, l'ordre ferromagnétique est normalement absent dans ce matériau.

Les chercheurs ont appliqué de grands champs électriques à ce matériau en le recouvrant d'une couche de gel polymère contenant des ions dissous. Lorsqu'une tension est appliquée au gel polymère, une couche d'ions se forme à la surface du matériau, induisant de forts champs électriques et une forte densité d'électrons mobiles dans le matériau. En l'absence de ces électrons mobiles (c'est-à-dire lorsque la tension appliquée est nulle), le ferromagnétisme ne se produit qu'en dessous de 61 K (-212°C). Cette température critique, en dessous duquel émerge l'ordre ferromagnétique, est connue sous le nom de température de Curie. Au dessus de cette température, les orientations de spin sont aléatoires (état paramagnétique), rendant impossibles les opérations de mémoire magnétique. Lorsqu'un potentiel électrique de quelques volts est appliqué au gel polymère, les chercheurs ont découvert que la température de Curie augmentait de plus de 100°C. Une augmentation aussi spectaculaire de la température de Curie déclenchée par des champs électriques est inhabituelle dans un semi-conducteur magnétique. Les chercheurs concluent que les électrons mobiles induits par les ions sont responsables de l'ordre magnétique observé à plus haute température.

L'auteur principal, le Dr Ivan VERZHBITSKY, un chercheur de l'équipe a déclaré :"Les électrons mobiles présents dans le matériau aident à transporter l'information de spin d'un site atomique à un autre et à établir l'ordre magnétique, résultant en une température de Curie plus élevée."

La température de fonctionnement de ces appareils est encore bien inférieure à la température ambiante, ce qui rend leur mise en œuvre dans les technologies actuelles peu pratique. Cependant, l'équipe vise à surmonter cette limitation dans leurs recherches futures.

"Nous pensons que ce phénomène unique que nous avons observé ne se limite pas à ce composé particulier et peut être attendu dans d'autres systèmes de matériaux connexes. Avec une sélection rigoureuse des matériaux, il sera possible de développer des appareils fonctionnant à température ambiante, ce qui pourrait conduire à de nouvelles technologies révolutionnaires, " a ajouté le professeur Eda.