Scientifiques phares du graphène basés à l'Université de Groningue, Les Pays-Bas, ont créé un dispositif basé sur une blicouche de graphène et de nitrure de bore qui montre une efficacité de transport de spin sans précédent à température ambiante. Mettre en évidence le potentiel de création de dispositifs contenant du graphène et des matériaux associés, le signal de spin mesuré ici est si grand qu'il peut être utilisé dans des applications réelles telles que la logique basée sur le spin et les transistors.

Publié dans Communication Nature , cette recherche, dirigé par le professeur Bart van Wees, Université de Groningue, Les Pays-Bas, rapporte un dispositif à base de graphène dans lequel les spins électroniques peuvent être injectés et détectés à température ambiante avec une efficacité élevée. La clé est l'interaction entre le graphène et le nitrure de bore dans la manière dont ils conduisent les spins des électrons.

Le spin peut être considéré comme la rotation d'un électron autour de son propre axe. C'est une forme de moment angulaire intrinsèque et peut être détecté comme un champ magnétique avec l'une des deux orientations :haut et bas. Le spin des électrons est difficile à gérer et perd souvent sa direction avec le temps. Pour utiliser le spin électronique dans un appareil, la polarisation de spin est importante - c'est la capacité de contrôler la fraction d'électrons avec un spin vers le haut ou vers le bas. "La polarisation de spin peut être obtenue en envoyant les électrons à travers un matériau ferromagnétique, ", explique van Wees.

Le professeur van Wees et son équipe ont montré qu'ils pouvaient grandement améliorer l'efficacité de l'injection et de la détection des électrons de spin dans le graphène en utilisant l'isolant nitrure de bore entre la couche de graphène et les électrodes ferromagnétiques de l'injecteur/détecteur de spin.

"Le graphène est un très bon matériau pour le transport de spin, mais il ne permet pas de manipuler les spins, " dit van Wees "Pour injecter des spins dans le graphène, il faut les faire passer d'un ferromagnétique à travers un isolant en nitrure de bore par effet tunnel quantique. Nous avons découvert que l'utilisation d'une couche de nitrure de bore à deux atomes entraînait une très forte polarisation de spin pouvant atteindre 70 %, 10 fois ce que nous obtenons habituellement."

Dans les appareils produits, la polarisation augmente avec la tension, défiant le courant pensant que c'est seulement l'influence ferromagnétique qui polarise le spin. Au lieu, il semblerait que ce soit l'effet tunnel quantique qui polarise le spin dans ses appareils. Les chercheurs ont également découvert une augmentation similaire de dix fois la détection de spin dans le même appareil. « Donc dans l'ensemble, le signal est multiplié par 100, " a déclaré van Wees.

Cela crée de nombreuses possibilités. « Nous pouvons maintenant injecter des spins dans le graphène et les mesurer facilement après avoir parcouru une certaine distance. Une application serait en tant que détecteur de champs magnétiques, ce qui affectera le signal de rotation."

Une autre possibilité serait de construire une porte logique de spin ou un transistor de spin. Comme les expériences avec le nouveau dispositif ont été menées à température ambiante, de telles applications sont à portée de main. "Toutefois, " Van Wees dit, « nous avons utilisé du graphène que nous avons obtenu par exfoliation, en utilisant du scotch pour décoller les monocouches d'un morceau de graphite. Cela ne convient pas à la production à grande échelle. » Les techniques de fabrication de graphène de haute qualité à l'échelle industrielle sont au cœur du Graphene Flagship.

Le professeur Vladimir Falko du Graphene Flagship a déclaré :"Encapsulation de graphène dans du nitrure de bore et utilisation des hétérostructures de ces deux matériaux pour de nouveaux dispositifs, y compris les transistors à effet tunnel, est une tendance prometteuse dans la recherche sur le graphène qui a déjà donné de nombreux résultats intéressants. L'observation rapportée porte la spintronique du graphène à un niveau qualitativement nouveau. »

Spintronics se concentre sur les dispositifs spintroniques au graphène à température ambiante, conjuguer recherche théorique et recherche expérimentale, et est considéré comme un investissement à long terme pour le Graphene Flagship. Avec tant de progrès réalisés sur les éléments individuels pour produire des dispositifs spintroniques entièrement fonctionnels, la prochaine étape consiste à les réunir. Le travail récemment publié du professeur partenaire phare du graphène Saroj Dash de l'Université Chalmers, Suède, a montré la capacité de contrôler la quantité de spin avec une tension de grille, le tout à température ambiante. Faciliter la collaboration sur des projets comme ceux-ci est un objectif central du Graphene Flagship.