Fig.1 :FET de spin basés sur un SOC accordable par porte. Crédit :Université du Zhejiang
Chaque électron porte une charge élémentaire négative, dont le mouvement collectif génère des courants électriques qui entraînent le fonctionnement des lumières, transistors et toutes sortes d'appareils électroniques. Cependant, comme étant une particule élémentaire, l'électron possède également un moment cinétique intrinsèque, c'est-à-dire un spin de 1/2. C'était un objectif tentant de manipuler les spins des électrons pour développer des dispositifs électroniques plus rapides et plus économes en énergie depuis que Datta et Das ont proposé l'idée du transistor à effet de champ de spin dans les années 1990.
Récemment, l'équipe de recherche dirigée par le professeur Zheng Yi du département de physique de l'Université du Zhejiang a fait une percée majeure. L'équipe a démontré que les effets synergiques entre le couplage spin-orbite (SOC) et l'effet Stark peuvent être activés de manière continue et réversible par une porte électrostatique externe dans l'arsenic noir (BAs) centrosymétrique à quelques couches. En utilisant un tel effet d'orchestration, ils ont découvert pour la première fois la formation de bandes de Rashba à saveur de vallée de spin et les états Hall quantiques non conventionnels (QHS) dans les gaz de trous bidimensionnels des BA. L'étude a été publiée dans La nature le 6 mai, intitulé "Vallées de Rashba et états de Hall quantique dans de l'arsenic noir à quelques couches."
Les transistors basés sur la technologie CMOS s'allument et s'éteignent en contrôlant le flux de courant dans les canaux via des effets de champ. Cependant, la manipulation collective des spins des électrons pour former un interrupteur marche/arrêt est plutôt difficile, parce que les orientations de spin pendant le mouvement des électrons peuvent facilement être inversées par divers mécanismes de diffusion.
"Pour développer des dispositifs électroniques à base de spin, nous devrions d'abord être capables de manipuler efficacement l'orientation du spin, ce qui nous permettrait de construire des FET de spin en contrôlant le flux de courant de spin à l'aide de vannes de spin, " a déclaré Zheng Yi. " L'émergence de nouveaux matériaux bidimensionnels ouvre d'énormes opportunités dans la manipulation des spins des électrons de manière rapide et efficace par l'effet de couplage spin-orbite. Dans les systèmes 2D lourds, le mouvement orbital des électrons de conduction dans le champ cristallin périodique est fortement attiré par le noyau chargé positivement, produisant un couplage relativiste entre le spin de l'électron et la direction du mouvement orbital dans le cas d'une brisure de symétrie d'inversion."
Zheng Yi et al. trouvé qu'en introduisant un champ électrique externe, l'effet SOC dans les systèmes électroniques 2D (2DES) de l'arsenic noir à quelques couches peut être activé et désactivé en continu et de manière réversible. Cette découverte fournit en principe un moyen efficace de réaliser des dispositifs de commutation de spin à grande vitesse en contrôlant le flux de spins d'électrons à l'aide d'un SOC accordable par grille.
Fig. 2 :Formation de la vallée de Rashba dépendante de la saveur dans les BA par effets synergiques Rashba et Stark. Crédit :Université du Zhejiang
Comme le montre la figure 1, de tels FET à spin basés sur SOC accordables par grille ont deux valves ferromagnétiques avec la même orientation de magnétisation. Les électrons injectés, spin polarisé par la valve de spin gauche, peut passer rapidement à travers le canal BAs sans inverser les orientations de spin en l'absence d'une tension de grille. Une fois le champ électrique externe appliqué, le flux de courant de spin est bloqué par la valve de spin droite en raison de la rotation de spin induite par le SOC dans le canal BAs, remplissant ainsi la fonction de FET de spin.
En comparaison avec le transistor CMOS à base de silicium, un tel commutateur à spin se distingue par sa vitesse de commutation rapide et sa faible consommation d'énergie. "Les chercheurs peuvent utiliser cet effet SOC accordable par porte pour contrôler efficacement le flux de spin et développer des composants électroniques prototypiques tels que les FET de spin à l'avenir, " a déclaré Zheng Yi.
Dans cette étude, les chercheurs ont découvert une formation de bande Rashba asymétrique particule-trou unique dans les 2DES des BA. Pour les gaz de trous 2D, ils ont réalisé des manipulations de la vallée de Rashba réglables par porte, caractérisé par des transitions non conventionnelles pair à impair dans les états de Hall quantique en raison de la formation d'un spectre de niveau de Landau dépendant de la saveur.
« C'est vraiment passionnant de découvrir quelque chose de tout nouveau en explorant l'inconnu. Nous avons beaucoup de chance de découvrir la physique de Rashba à saveur de vallée de spin et les phénomènes de quantification exotiques associés dans les BA, qui pourrait devenir une plate-forme sans précédent pour explorer le calcul quantique topologique et pour une nouvelle électronique basée sur le spin à l'avenir, " a déclaré Zheng Yi.
Dans leurs expériences de suivi, les chercheurs étudient maintenant les 2DES des BA à quelques couches dans des champs magnétiques plus élevés, s'attendant à voir une nouvelle physique plus fascinante liée au SOC et au Rashba, tels que l'effet Hall de vallée quantique et l'effet Hall quantique fractionnaire.
