Les chercheurs ont fabriqué les dispositifs de spintronique au laboratoire de fabrication Nano de l'Université de technologie de Chalmers. De gauche à droite :Saroj Prasad Dash, Venkata Kamalakar Mutta et André Dankert. Crédit :Oscar Mattsson
Des chercheurs de l'Université de technologie Chalmers ont découvert que le graphène de grande surface est capable de préserver le spin des électrons sur une période prolongée, et le communiquer sur de plus grandes distances qu'on ne l'avait connu auparavant. Cela a ouvert la porte au développement de la spintronique, dans le but de fabriquer des mémoires et des processeurs plus rapides et plus économes en énergie dans les ordinateurs. Les résultats seront publiés dans la revue Communication Nature .
"Nous pensons que ces résultats attireront beaucoup d'attention dans la communauté des chercheurs et mettront le graphène sur la carte pour des applications dans les composants spintroniques, " dit Saroj Dash, qui dirige le groupe de recherche à l'Université de technologie Chalmers.
La spintronique est basée sur l'état quantique des électrons, et la technologie est déjà utilisée dans les disques durs avancés pour le stockage de données et la mémoire magnétique à accès aléatoire. Mais ici, l'information basée sur le spin n'a besoin de se déplacer que de quelques nanomètres, ou des millionièmes de millimètre. Ce qui est chanceux, parce que le spin est une propriété des électrons qui, dans la plupart des matériaux, est extrêmement courte et fragile.
Cependant, il y a des avantages majeurs à exploiter le spin comme support d'information, à la place de, ou en plus des charges électriques. La spintronique pourrait rendre les processeurs beaucoup plus rapides et moins énergivores qu'ils ne le sont aujourd'hui.
Le graphène est un candidat prometteur pour étendre l'utilisation de la spintronique dans l'industrie électronique. Le film de carbone mince n'est pas seulement un excellent conducteur électrique, mais a aussi théoriquement la capacité rare de maintenir les électrons avec le spin intact.
"Dans les futurs composants basés sur le spin, on s'attend à ce que les électrons soient capables de parcourir plusieurs dizaines de micromètres avec leurs spins alignés. Métaux, comme l'aluminium ou le cuivre, n'ont pas la capacité de gérer cela. Le graphène semble être le seul matériau possible pour le moment, " dit Saroj Dash.
Aujourd'hui, le graphène est produit commercialement par quelques entreprises en utilisant un certain nombre de méthodes différentes, qui sont tous dans une phase précoce de développement.
Mettre tout simplement, on pourrait dire que le graphène de haute qualité ne peut être obtenu qu'en très petits morceaux, tandis que le plus gros graphène est produit d'une manière dont la qualité est soit trop faible, soit présente d'autres inconvénients du point de vue de l'industrie électronique.
Mais cette hypothèse générale est maintenant sérieusement remise en question par les résultats présentés par le groupe de recherche de Chalmers. Ils ont mené leurs expériences en utilisant du graphène CVD, qui est produit par dépôt chimique en phase vapeur. La méthode donne au graphène beaucoup de rides, rugosité et autres défauts.
Mais il a aussi des avantages :il y a de bonnes perspectives pour la production de graphène de grande surface à l'échelle industrielle. Le graphène CVD peut également être facilement retiré de la feuille de cuivre sur laquelle il pousse et est soulevé sur une plaquette de silicium, qui est le matériau standard de l'industrie des semi-conducteurs.
Dans le graphène, les électrons gardent leur aimantation, leur spin (les flèches roses sur l'image) est beaucoup plus long que dans les conducteurs ordinaires comme le cuivre et l'aluminium. Cette caractéristique du graphène peut permettre à la spintronique de devenir un complément à l'électronique traditionnelle, qui n'utilise qu'un des degrés de liberté de l'électron, à savoir leur charge. Crédit :M Venkata Kamalakar et al, Communication Nature
Bien que la qualité du matériau soit loin d'être parfaite, le groupe de recherche peut maintenant montrer des paramètres de spin jusqu'à six fois plus élevés que ceux précédemment rapportés pour le graphène CVD sur un substrat similaire.
"Nos mesures montrent que le signal de spin est préservé dans les canaux de graphène qui mesurent jusqu'à 16 micromètres de long. La durée pendant laquelle les spins restent alignés a été mesurée à plus d'une nanoseconde, ", explique Venkata Kamalakar, chercheuse de Chalmers, qui est la première auteure de l'article.
"C'est prometteur car cela suggère que les paramètres de spin peuvent être encore améliorés à mesure que nous développons la méthode de fabrication.
Le fait que les chercheurs se concentrent sur la mesure dans laquelle le courant de spin peut être communiqué ne doit pas être considéré comme simplement l'envoi d'informations dans un nouveau matériau ou le remplacement de métaux ou de semi-conducteurs par du graphène. L'objectif est plutôt une toute nouvelle façon d'effectuer des opérations logiques et de stocker des informations. Un concept qui, en cas de succès, permettrait à la technologie numérique d'aller au-delà de la dépendance actuelle vis-à-vis des semi-conducteurs.
"Le graphène est un bon conducteur et n'a pas de bandes interdites. Mais en spintronique, il n'est pas nécessaire que les bandes interdites basculent entre marche et arrêt, un et zéro. Ceci est contrôlé à la place par les orientations de spin vers le haut ou vers le bas de l'électron, ", explique Saroj Dash.
Un objectif à court terme est maintenant de construire un composant logique qui, un peu comme un transistor, est composé de graphène et de matériaux magnétiques.
Que la spintronique puisse éventuellement remplacer complètement la technologie des semi-conducteurs est une question ouverte, il reste beaucoup de recherches. Mais le graphène, avec ses excellentes capacités de conduction de spin, est très susceptible de figurer dans ce contexte.
Image du haut :Schémas illustrant le transport de spin dans le graphène CVD sur substrat Si/SiO2, avec des contacts ferromagnétiques (Co/TiO2) pour l'injection et la détection de spin.Image du bas :Une image au microscope optique d'un dispositif de spintronique fabriqué sur du graphène CVD, avec de longs canaux (jusqu'à 16 micromètres) sur substrat Si/SiO2 avec de multiples contacts ferromagnétiques (Co/TiO2) pour l'injection et la détection de spin. Les dispositifs ont été fabriqués au laboratoire de fabrication Nano de l'Université de technologie de Chalmers. Crédit :M Venkata Kamalakar et al, Communication Nature
Fond:
C'est le tour :
Le spin est une propriété de mécanique quantique des particules élémentaires, qui entre autres donne lieu au phénomène du magnétisme. La rotation peut être dirigée vers le haut ou vers le bas. Pour les électrons dans un courant électrique normal, le spin est distribué aléatoirement, et le flux ne transporte aucun signal de spin. Mais avec l'aide d'aimants, les électrons qui sont introduits dans un conducteur peuvent être polarisés, ce qui signifie qu'ils ont tous leur rotation dirigée vers le haut ou vers le bas. Vous pourriez comparer les électrons à une série de petites aiguilles de boussole, tous pointant vers le nord ou le sud. L'enjeu est de maintenir cet état suffisamment longtemps et sur des distances suffisamment longues.
Pourquoi le spin fonctionne dans le graphène :
Le spin des électrons peut facilement être perturbé par des facteurs environnementaux. Les atomes et leurs structures cristallines dans le matériau conducteur ont un champ électrique, qui est perçu comme un champ magnétique par les électrons qui passent. Mais comme le carbone est un atome si léger avec seulement six protons disposés dans une structure hexagonale symétrique, cette interférence magnétique sera très limitée.
Le spin interne d'un noyau atomique est également une source potentielle d'interférence. Mais le spin net du noyau est négligeable, comme la majorité des atomes de carbone sont de l'isotope C12, avec autant de neutrons que de protons.
Trois façons de produire du graphène :
Les lauréats du prix Nobel Geim et Novoselov ont fabriqué du graphène à partir de graphite en utilisant du ruban adhésif domestique ordinaire. Des méthodes similaires sont utilisées aujourd'hui pour produire du graphène de haute qualité. Mais les pièces sont petites. La société Graphensic, créé par des chercheurs de l'université suédoise de Linköping, fabrique du graphène de grande surface qui est "cultivé" à partir d'un substrat de carbure de silicium.
À l'Université de technologie Chalmers, le graphène de grande surface est produit en utilisant la méthode de dépôt chimique en phase vapeur (CVD). Pour l'étude en Communication Nature , les chercheurs ont utilisé du graphène CVD acheté à la société Graphenea en Espagne.
