Un objectif crucial de la recherche en spintronique est de manipuler de manière cohérente les spins des électrons à température ambiante en utilisant un courant électrique. Ceci est particulièrement précieux car il permettrait le développement de nombreux dispositifs, y compris les transistors à effet de champ de spin.

Dans des expériences utilisant des matériaux conventionnels, ingénieurs et physiciens n'ont jusqu'à présent observé de précession de spin cohérente que dans le régime balistique et à très basse température. Bidimensionnel (matériaux 2D), cependant, ont des caractéristiques uniques qui pourraient fournir de nouveaux boutons de contrôle pour manipuler la procession de rotation.

Des chercheurs du CIC nanoGUNE BRTA en Espagne et de l'Université de Ratisbonne en Allemagne ont récemment démontré une précession de spin à température ambiante en l'absence de champ magnétique dans le graphène bicouche. Dans leur papier, Publié dans Lettres d'examen physique , ils ont utilisé des matériaux 2D pour réaliser un transistor à effet de champ de spin.

« Dans notre groupe, il existe une longue tradition d'étude du transport de spin dans de multiples matériaux, comme les métaux simples, par exemple, " Josep Ingla-Aynes, Franz Herling, Jaroslav Fabien, Luis E. Hueso et Félix Casanova, les chercheurs qui ont mené l'étude, a dit à Phys.org par e-mail. "Notre objectif principal est de comprendre comment le spin de l'électron peut transporter des informations et comment ce degré de liberté peut aider à créer des dispositifs dotés de nouvelles fonctionnalités."

Le graphène fait partie des matériaux avec les plus grandes longueurs de relaxation de spin. Néanmoins, manipuler les spins lorsqu'ils se déplacent sur le graphène peut être très difficile et n'a jusqu'à présent été réalisé qu'à l'aide de champs magnétiques externes, ce qui est loin d'être idéal pour des applications pratiques.

Récemment, Ingla-Aynés et ses collègues ont examiné comment des hétérostructures basées sur différents matériaux 2D, également appelées hétérostructures de van der Waals, effectuer en spintronique. Hétérostructures de Van der Waals, sont une classe de matériaux 2D à base de graphène avec des couches qui ne sont pas liées chimiquement.

"Nous avons particulièrement exploré des structures où un matériau avec un faible couplage spin-orbite (comme le graphène) est empilé avec un matériau avec un fort couplage spin-orbite (comme le WSe 2 ) et en observant expérimentalement comment ce couplage spin-orbite est effectivement transféré dans le graphène par proximité, " les chercheurs ont expliqué. " Plus techniquement, en réalisant une forte interaction entre les couches, il est possible d'imprimer un couplage spin-orbite aussi efficace sur le graphène (qui agit comme un champ magnétique efficace) qui peut inverser les spins sans avoir besoin d'appliquer un champ magnétique et c'est ce que nous voulions faire. »

Au lieu d'utiliser un seul matériau, Ingla-Aynés et ses collègues ont utilisé une combinaison de deux matériaux aux propriétés significatives différentes. Le premier de ces matériaux est le graphène, qui a un faible couplage spin-orbite et une longue longueur de relaxation de spin. Le second est WSe 2 , qui a un couplage spin-orbite fort et anisotrope.

"Nous avons préparé du graphène bicouche/WSe 2 les hétérostructures van der Waals utilisant une technique d'empilement à sec à base de polymères, " les chercheurs ont dit. " Ensuite, favoriser la proximité entre les couches, nous avons recuit nos échantillons au-dessus de 400 degrés Celsius. Pour mesurer le transport de spin, nous avons utilisé des électrodes ferromagnétiques qui, combiné avec des champs magnétiques, nous permettent de mesurer les spins dans le plan et hors du plan qui traversent le graphène/WSe 2 canaliser."

Ingla-Aynés et ses collègues ont pu contrôler les temps de transport de spin dans le matériau qu'ils utilisaient en leur appliquant un champ électrique dans le plan et une tension de backgate. Cela a finalement permis le contrôle électrique de la précession de spin à température ambiante, sans avoir besoin d'appliquer un champ magnétique externe.

"Cela a été recherché par la communauté pendant des décennies et en explorant de nombreux matériaux différents, pourtant personne n'a réussi, jusqu'à maintenant, " les chercheurs ont dit. " Cette découverte a des implications pour l'applicabilité de la spintronique, comme notre appareil fonctionne comme le transistor de spin Datta-Das tant recherché, qui a été l'un des objectifs de la spintronique depuis qu'elle a été proposée pour la première fois en 1990."

Dans leur papier, les chercheurs ont présenté le premier transistor à effet de champ de spin à température ambiante en utilisant la stratégie de précession de spin qu'ils ont développée. À l'avenir, leurs travaux pourraient ouvrir la voie à la mise en œuvre pratique d'une logique à base de spin écoénergétique.

« Notre étude a aussi une conséquence fondamentale, car il fournit des informations précieuses sur la façon dont le transport de spin est affecté par les interactions spin-orbite dans les hétérostructures de van der Waals à base de graphène, " les chercheurs ont dit. " Dans nos prochaines études, nous prévoyons d'étudier plusieurs autres combinaisons de matériaux 2D qui fourniront de nouveaux effets physiques liés au degré de liberté de rotation."

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