Le domaine prometteur de la spintronique cherche à manipuler le spin des électrons pour créer une nouvelle génération de dispositifs électroniques de petite taille et de faible puissance. Une étude récente a utilisé la source de photons avancée d'Argonne pour rapprocher l'utilisation généralisée de la spintronique de la réalité.

À mesure que les ordinateurs et les appareils électroniques deviennent de plus en plus petits, les ingénieurs développent de nouvelles technologies pour permettre aux appareils de rétrécir encore plus tout en améliorant les performances. Une nouvelle technologie prometteuse est la spintronique, qui a le potentiel de fabriquer des appareils plus petits et plus rapides qui conservent leurs informations lorsque l'alimentation est coupée. Cette technologie émergente pourrait révolutionner la conception des appareils électroniques, mais il reste encore un long chemin à parcourir avant que la technologie ne devienne courante.

Pour suivre la génération croissante de données, la capacité de stockage de données a augmenté tandis que les appareils électroniques continuent de devenir plus petits et plus puissants. Cependant, cette augmentation de la génération et du stockage des données a entraîné une augmentation associée de la consommation d'énergie. Les centres de données utilisent une quantité importante d'électricité pour leurs serveurs et systèmes de refroidissement, et ces centres représentent à eux seuls plus de 1 % de la consommation mondiale d'énergie. La spintronique a le potentiel de réduire cette consommation d'énergie tout en permettant aux ingénieurs de continuer à concevoir des ordinateurs et d'autres appareils électroniques plus petits et plus rapides.

Au lieu d'utiliser la charge électronique pour stocker des informations sous forme de 1 et de 0, la spintronique utilise le spin des électrons pour coder les données. Le spin est une propriété des électrons, tout comme la charge. Les électrons peuvent avoir un état de spin ascendant ou descendant, et dans certains matériaux spéciaux, cet état de rotation peut se déplacer à travers le matériau lorsqu'il est exposé à l'électricité. La capacité de l'état de spin à être transporté est ce qui permet d'utiliser le spin pour le stockage de données. Cette méthode de manipulation de spin pour le stockage de données utilise beaucoup moins d'énergie car un courant de spin rencontre moins de résistance qui peut conduire à une surchauffe, et l'information ne disparaît pas avec une perte de puissance.

Les chercheurs utilisant la source de photons avancée (APS), une installation d'utilisateurs de l'Office of Science du département de l'Énergie des États-Unis au laboratoire national d'Argonne du DOE, ont étudié des moyens de manipuler les spins des électrons et développé de nouveaux matériaux pour l'électronique de spin. Récemment, une équipe de recherche dirigée par Chang-Beom Eom, professeur de science et d'ingénierie des matériaux à l'Université du Wisconsin-Madison, a publié une étude dans la revue Communication Nature à propos d'un nouveau matériau qui a trois fois la densité de stockage et utilise beaucoup moins d'énergie que les autres dispositifs de spintronique.

Il n'existe pas beaucoup de ces types de matériaux, surtout ceux qui fonctionnent à température ambiante comme celui-ci. Si le matériel d'Eom peut être perfectionné, cela pourrait aider à la création d'appareils électroniques plus efficaces avec moins de tendance à surchauffer. Ceci est particulièrement important pour faire avancer le développement de l'informatique à faible consommation et de la mémoire magnétique rapide.

La nouvelle structure conçue par Eom est basée sur une classe inhabituelle de matériaux appelés antipérovskites qu'il utilise pour manipuler le flux d'informations de spin sans déplacer les charges des électrons à travers le matériau. Pour savoir si cela a fonctionné, et pour mieux comprendre la structure du matériau, L'équipe d'Eom a utilisé la diffraction des rayons X à l'APS pour voir à quel moment la structure du matériau a changé, indiquant l'émergence de l'arrangement nécessaire des spins électroniques.

Eom est venu à l'APS en raison de la puissance de la ligne de lumière 6-ID-B ainsi que pour l'expertise des scientifiques qui y travaillent.

"En une semaine à l'APS, on peut faire un mois de travail, " il a dit.

Les scientifiques de la ligne de lumière de l'APS fournissent des conseils d'experts aux chercheurs qui souhaitent utiliser les ressources de l'installation. Avant l'étude, Les scientifiques de la ligne de lumière APS Phil Ryan et Jong-Woo Kim ont passé du temps avec Eom, l'aidant à déterminer quand il avait la bonne structure alors qu'il cultivait ces nouveaux matériaux dans son laboratoire.

"S'ils ont une question scientifique, nous en discutons et concevons ensemble une expérience à l'APS pour répondre à la question, " dit Kim, un physicien à l'APS collaborant avec l'équipe de recherche d'Eom. « Nous comprenons très bien nos techniques et nos capacités, afin que nous puissions contribuer à la conception de l'expérience, ou même façonner la conversation."

Pour cette étude, Eom a utilisé l'APS pour examiner la structure en réseau du matériau au niveau atomique alors qu'il se refroidissait vers la température ambiante. En utilisant la diffraction des rayons X, ils ont mesuré le paramètre de réseau - essentiellement la distance entre les atomes - et ont extrait la séparation des atomes lorsque la température du matériau changeait.

"Ce matériau développe un ordre magnétique un peu au dessus de la température ambiante, " dit Ryan, un autre physicien de l'APS qui a travaillé avec Eom sur ce projet ainsi que sur de nombreux autres au fil des ans. "Une fois que les spins des électrons s'ordonnent, les atomes sont légèrement éloignés les uns des autres. Donc, même si nous n'avons pas pu détecter directement la structure avec les rayons X, nous avons surveillé et mesuré ce changement structurel avec la température à l'APS pour confirmer l'émergence de cet ordre magnétique."

C'était l'une des trois techniques utilisées dans l'étude pour mesurer l'arrangement des spins électroniques, et ces données, en conjonction avec d'autres mesures, a aidé à consolider et à consolider la validité des résultats.

"La capacité de manipuler l'arrangement des spins électroniques, ainsi que leur mouvement à travers la matière, a d'énormes possibilités pour des appareils plus économes en énergie, " a déclaré Eom. "C'est la première étape pour montrer comment le faire."