Marquant une réalisation majeure dans le domaine de la spintronique, des chercheurs du laboratoire national de Brookhaven du Département de l'énergie des États-Unis (DOE) et de l'Université de Yale ont démontré la capacité de contrôler la dynamique de spin dans les matériaux magnétiques en modifiant leur épaisseur. L'étude, publié aujourd'hui dans Matériaux naturels , pourrait conduire à plus petit, appareils électroniques plus économes en énergie.

"Au lieu de rechercher différents matériaux qui partagent les bonnes fréquences, nous pouvons maintenant modifier l'épaisseur d'un seul matériau - fer, dans ce cas-pour trouver un support magnétique qui permettra le transfert d'informations à travers un appareil, " a déclaré la physicienne et chercheuse principale de Brookhaven Valentina Bisogni.

L'électronique traditionnelle repose sur une propriété fondamentale des électrons, la charge, pour transmettre des informations. Mais comme le courant électrique circule dans un appareil, il dissipe la chaleur, limiter la façon dont les petits appareils peuvent être conçus sans risque de surchauffe et de sacrifier les performances. Pour répondre à la demande d'électronique plus petite et plus avancée, les chercheurs étudient une approche alternative basée sur une propriété fondamentale différente des électrons :le spin. Similaire à la charge, la rotation peut se déplacer dans un matériau comme un courant. La différence est qu'un courant de charge est composé d'électrons qui se déplacent physiquement, alors que dans une vrille "courante, " les électrons ne bougent pas; plutôt, ils se transmettent leur direction de rotation comme se passer un témoin dans une course de relais, une course qui a une longue chaîne de "coureurs" qui ne courent jamais réellement.

"Il y a toujours un besoin de plus de mémoire ou de capacité de stockage dans les appareils électroniques, et la dissipation thermique nous empêche actuellement de créer des appareils à plus petite échelle, " Bisogni a déclaré. " S'appuyer sur l'essorage au lieu de la charge réduit considérablement la surchauffe dans les appareils, donc le but de la spintronique est de réaliser les mêmes fonctionnalités de l'appareil, ou mieux, qui sont déjà connus dans l'électronique traditionnelle, sans les inconvénients."

À ce jour, la dynamique de spin a généralement été mesurée à l'aide de techniques de diffusion de neutrons; cependant, cette méthode nécessite des échantillons à étudier en vrac (plusieurs grammes d'échantillon à la fois). Dans les applications du monde réel, le matériel doit être réduit à des tailles beaucoup plus petites.

"Il est très difficile de prédire comment certains matériaux se comporteront à différentes échelles de longueur, " a déclaré Bisogni. " Étant donné que de nombreux appareils électroniques sont constitués d'une très petite quantité de matériau, il est important d'étudier comment les propriétés d'un film mince se comparent à celles de la masse."

Pour répondre à cette question scientifique, l'équipe de recherche a utilisé une technique appelée diffusion inélastique résonante des rayons X (RIXS) pour étudier des films minces de fer aussi minces qu'un nanomètre. Bien que RIXS soit bien établi dans le domaine scientifique, cette étude n'est qu'un des rares exemples où les chercheurs ont utilisé cette technique pour étudier la dynamique de spin dans un matériau aussi mince. Cette réalisation a été rendue possible grâce aux capacités avancées de la ligne de faisceaux de diffusion des rayons X inélastiques doux (SIX) à la National Synchrotron Light Source II (NSLS-II) - une installation utilisateur du DOE Office of Science au Brookhaven National Laboratory.

« Nous avons pu effectuer ces mesures en combinant la source de rayons X ultrabrillante du NSLS-II avec la résolution en énergie et le spectromètre sans précédent de la ligne de lumière SIX, " a déclaré Jonathan Pelliciari, auteur principal de l'étude et scientifique de SIX.

La ligne de lumière SIX est équipée d'un bras de spectromètre de 50 pieds de long, logé dans son propre bâtiment adjacent à l'étage expérimental de NSLS-II. Cette longue, bras mobile permet à SIX d'obtenir une résolution énergétique extrêmement élevée et de révéler le mouvement collectif des électrons et leur spin au sein d'un matériau.

D'abord étudier le fer en vrac, l'équipe de recherche a confirmé les résultats des techniques précédentes de diffusion des neutrons. Puis, à mesure qu'ils se dirigeaient vers des matériaux plus minces, ils ont non seulement observé avec succès la dynamique de spin à l'échelle atomique, mais on a également découvert que l'épaisseur pouvait agir comme un "bouton" pour affiner et contrôler la dynamique de rotation.

"C'était passionnant de voir comment le fer maintenait ses propriétés ferromagnétiques de la masse à quelques monocouches, " dit Bisogni, responsable scientifique des lignes de lumière chez SIX. "Le fer étant un matériau si élémentaire et simple, nous considérons qu'il s'agit d'un cas de référence pour étudier l'évolution des propriétés en fonction de l'épaisseur à l'aide du RIXS."

Pelliciari ajouté, « Ce travail est le résultat d'une forte synergie entre des installations de classe mondiale. En plus de l'expérimentation de haut niveau et de l'étude de caractérisation réalisée à NSLS-II, cette recherche n'aurait pas été possible sans l'expertise et les capacités de synthèse de pointe de nos collègues de l'Université de Yale."

"Parce que Yale n'est qu'à deux heures de NSLS-II, J'ai pu participer pleinement à l'expérience, " a déclaré Sangjae Lee, un étudiant diplômé du laboratoire Charles Ahn de l'Université de Yale. Lee et Ahn sont co-auteurs de l'étude. "Cette expérience a été une opportunité inspirante d'effectuer des mesures synchrotron pratiques avec des scientifiques de classe mondiale au NSLS-II."

Les chercheurs du département de physique de la matière condensée et de science des matériaux de Brookhaven ont également fourni un soutien théorique pour la meilleure interprétation des données expérimentales.

L'équipe de recherche de SIX continuera à utiliser RIXS pour observer les propriétés des matériaux liées à la spintronique. Leur objectif ultime est de développer un « interrupteur marche/arrêt » pour contrôler la dynamique de spin dans les appareils et comprendre le mécanisme microscopique sous-jacent.