La découverte de semi-métaux topologiques de Weyl en 2017 a révélé des opportunités de réaliser plusieurs phénomènes physiques extraordinaires en physique de la matière condensée. Maintenant, des chercheurs de l'Université de technologie Chalmers ont démontré la détection électrique directe d'un effet Hall de spin important dans ce matériau quantique topologique. Le semi-métal Weyl tire parti de son fort couplage spin-orbite et de ses nouveaux états électroniques topologiques polarisés en spin dans sa structure de bande. Ces découvertes expérimentales peuvent ouvrir la voie à l'utilisation des phénomènes induits par spin-orbite dans le développement de la prochaine génération de technologies de l'information plus rapides et écoénergétiques et ont été publiées dans la revue scientifique Recherche d'examen physique.

Alors que notre société est de plus en plus intégrée à l'intelligence artificielle (IA) et à l'Internet des objets (IoT), la demande de faible puissance, à l'échelle nanométrique, et les appareils électroniques à haute performance ont augmenté. Les dispositifs spintroniques sont prometteurs pour la prochaine génération de technologies de l'information afin de réduire la consommation d'énergie tout en augmentant les performances et les propriétés non volatiles. Récemment, la commutation de magnétisation induite par le courant par le couple spin-orbite (SOT) utilisant l'effet Hall de spin de base est identifiée comme un ingrédient essentiel pour les mémoires spintroniques non volatiles et les dispositifs logiques. Le mécanisme SOT est particulièrement utile, comme un courant de spin peut être généré en faisant simplement passer un courant de charge dans les métaux lourds en raison de l'effet Hall de spin, sans l'utilisation d'un champ magnétique externe. Cependant, il existe plusieurs défis liés à la vitesse de commutation limitée et à la consommation d'énergie élevée de ces dispositifs.

Un groupe dirigé par Saroj Dash, Professeur associé au Quantum Device Physics Laboratory de Chalmers, appareils électroniques usagés fabriqués à partir d'un nouveau matériau quantique topologique, appelés semi-métaux de Weyl, qui ressemble à une version tridimensionnelle du graphène, mais a une forte interaction spin-orbite et de nouveaux états électroniques de surface et de masse polarisés en spin dans leur structure de bande.

« Les semi-métaux de Weyl contiennent des états fermioniques de Weyl, qui se caractérisent par une dispersion linéaire des cônes de Weyl et des états de surface de l'arc de Fermi. En raison du monopole comme la courbure de Berry dans l'espace de quantité de mouvement et la forte interaction spin-orbite, une texture de spin unique dans les cônes de Weyl et les états de surface de l'arc de Fermi devraient exister dans ces nouveaux matériaux, " dit Saroj Dash.

Les chercheurs de Chalmers tirent parti de ces nouvelles propriétés pour détecter électriquement une grande conversion charge-spin, c'est-à-dire l'effet Hall de spin, dans un tel candidat semi-métal Weyl WTe 2 à température ambiante.

"La détection du courant de spin généré par effet Hall de spin dans WTe 2 a été réalisé en fabriquant des dispositifs d'hétérostructure de van der Waals avec du graphène, tirant parti de ses structures en couches et de sa longue longueur de cohérence de spin dans le graphène et la transmission de spin à l'interface d'hétérostructure, " explique le doctorant Bing Zhao qui est encadré par Saroj Dash au MC2, Chalmers.

Saroj Dash continue, "Nos mesures électroniques détaillées sensibles au spin, à la fois dans les géométries de transport de spin et de précession de Hanle, ses études dépendantes de l'angle et de la porte, et les calculs théoriques manifestent l'existence de phénomènes Hall de spin grand et accordable par grille dans WTe 2 appareils à température ambiante. La démonstration d'un processus de conversion charge-spin efficace dans le candidat semi-métal Weyl WTe 2 à température ambiante peut ouvrir la voie à son utilisation dans la spintronique et les technologies quantiques."

Les avantages des semi-métaux topologiques 1T' WTe 2 c'est qu'il a une multitude de propriétés intéressantes, tel qu'il s'agit de matériaux stratifiés van der Waals, un semi-métal Weyl en vrac avec un comportement anormal chiral (magnétorésistance négative), présence d'états Hall de spin quantique dans les monocouches, et une nouvelle texture de spin de l'état électronique de surface et de masse fournissant une grande polarisation de spin induite par le courant.

Le groupe Saroj Dash vise en outre à utiliser ces matériaux quantiques topologiques pour des technologies spintroniques et quantiques à haut rendement énergétique en exploitant leur structure de bande électronique grâce à la conception de la courbure de Berry et à leurs nouvelles topologies de spin.

"De tels développements ont un grand potentiel pour réaliser une électronique ultra-rapide et à faible consommation pour la prochaine génération de mémoire, logique, la communication, et technologies quantiques, " il dit.

Le travail de recherche est effectué dans le cadre d'une collaboration multinationale entre l'Université de technologie Chalmers, Suède; Université des sciences et technologies de Pékin, Chine; Institut des sciences Weizmann, Israël; et l'Institut Max Planck de Dresde, Allemagne.