Des chercheurs de l'Université de technologie Chalmers ont pour la première fois signalé la détection électrique du courant de spin sur des surfaces isolantes topologiques à température ambiante en utilisant un détecteur ferromagnétique. Les résultats ont été publiés dans la revue Nano Letters.

Les matériaux à l'état solide étaient classiquement divisés en trois classes différentes telles que les conducteurs, semi-conducteurs et isolants. Récemment, une nouvelle classe de matériaux a été proposée et réalisée, appelés "isolants topologiques", où les propriétés isolantes et conductrices peuvent coexister dans le même matériau.

Les isolants topologiques sont des isolants à l'intérieur de la masse, mais sont conducteurs sur leurs surfaces avec moins de résistance que les matériaux conventionnels. Ceci est possible en raison de leur interaction particulièrement forte entre le spin des électrons et le moment angulaire orbital avec leur symétrie d'inversion temporelle. L'interaction est si forte que le moment angulaire de spin des électrons est verrouillé perpendiculairement à leur moment, et génère un courant polarisé en spin spontané sur les surfaces des isolants topologiques en appliquant un champ électrique.

Ces électrons conducteurs polarisés en spin sur la surface n'ont pas de masse et sont extrêmement robustes contre la plupart des perturbations dues à des défauts ou des impuretés, et peut permettre la propagation de courants de spin sans dissipation.

Les chercheurs de Chalmers ont détecté le courant de spin de surface électriquement sur un isolant topologique appelé séléniure de bismuth (Bi 2 Se 3 ) pour la première fois à température ambiante en utilisant des contacts tunnel ferromagnétiques. De tels contacts sont connus pour être très sensibles à la polarisation de spin et sonder le Bi 2 Se 3 surface en mesurant la magnétorésistance due à l'alignement parallèle et antiparallèle du courant de spin et de la direction d'aimantation du ferromagnétique.

"Les facteurs clés pour ces résultats à température ambiante sont des cristaux isolants topologiques de bonne qualité et des contacts tunnel ferromagnétiques sensibles au spin soigneusement préparés par nanofabrication en salle blanche", explique le Dr André Dankert, l'auteur principal de l'article.

Les rapports antérieurs dans ce domaine de recherche se limitaient uniquement aux mesures à des températures cryogéniques. A partir des résultats sur l'amplitude du signal de spin, son signe, et des expériences de contrôle, en utilisant différentes configurations de mesure, angles et conditions d'interface, l'auteur exclut d'autres effets physiques connus.

"Nos résultats montrent l'accessibilité électrique des courants de spin sur des surfaces d'isolant topologiques jusqu'à la température ambiante et ouvrent la voie à de futurs développements, qui peut être utile pour le traitement de l'information basé sur le spin à l'avenir", dit le professeur agrégé Saroj Dash, qui dirige le groupe de recherche.

Cependant, Saroj Dash prévient que la recherche sur le développement de ces nouveaux matériaux de classe et techniques de mesure en est encore à ses débuts et que davantage d'expériences sont nécessaires pour une meilleure compréhension.