Des chercheurs de l'Université du Witwatersrand ont trouvé des moyens de contrôler le transport du spin dans les réseaux du plus petit conducteur électrique connu de l'homme.
En fixant chimiquement des nanoparticules de l'élément des terres rares, gadolinium, aux nanotubes de carbone, les chercheurs ont découvert que la conductivité électrique dans les nanotubes peut être augmentée en incorporant les propriétés de spin du gadolinium qui découlent de sa nature magnétique. Pour le dire clairement, la présence d'un aimant dans un support de transfert d'électrons introduit un autre degré de liberté qui améliore le transfert d'électrons, mais uniquement s'il est adapté avec précision.
Découvert au Japon en 1993, les nanotubes de carbone sont les tubes les plus minces de l'univers, constitué d'un cylindre d'atomes de carbone simples. Au moment de sa découverte, il était révolutionnaire, et on s'attendait à ce qu'il puisse remplacer le silicium dans les circuits électroniques, comme les puces électroniques et les disques durs d'ordinateurs.
"Les nanotubes de carbone sont connus pour leur capacité à transporter une grande quantité de courant électrique et ils sont très forts. Ils sont très fins mais les électrons peuvent se déplacer très rapidement à l'intérieur, avec des vitesses allant jusqu'à Gigahertz ou Térahertz, et lorsqu'ils sont couplés à des nano-aimants, ils étendent considérablement la fonctionnalité des nanotubes de carbone, qui est nécessaire pour faire progresser la technologie moderne grâce au développement de dispositifs spintroniques à grande vitesse, " dit Siphephile Ncube, un doctorat étudiant à la Wits School of Physics et auteur principal de l'étude. Ses recherches ont été publiées dans Rapports scientifiques le mercredi (23 mai 2018).
Au cours de son doctorat, Ncube a collaboré avec une équipe de chercheurs de l'Université du Witwatersrand, Université de Johannesburg et l'Université Paul Sabatier en France. Les chercheurs ont attaché chimiquement des nanoparticules de gadolinium à la surface des nanotubes de carbone pour tester si le magnétisme augmente ou inhibe le transfert d'électrons à travers le système. Les mesures pour interroger l'effet des nanoparticules magnétiques sur un réseau de nanotubes de carbone multi-parois ont été réalisées au Nanoscale Transport Physics Laboratory (NSTPL) à Wits. Cette installation est dédiée à la nouvelle nano-électronique et a été initiée par le programme phare de la NRF Nanotechnologie.
"Nous avons constaté que l'effet des nanoparticules magnétiques est lu dans le transport électronique des nanotubes. En raison de la présence de l'aimant, les électrons deviennent polarisés en spin et le transfert de charge dépend de l'état magnétique du gadolinium. Lorsque les pôles magnétiques globaux du gadolinium sont alignés en opposition, il provoque une résistance plus élevée dans les nanotubes et ralentit les flux d'électrons. Lorsque les pôles magnétiques sont mal alignés, il a une faible résistance, et assiste le transport des électrons, " dit Ncube. Ce phénomène est connu sous le nom d'effet Spin Valve, qui trouve une large application dans le développement de disques durs utilisés pour le stockage de données.
Ncube a commencé ses recherches sur les nanotubes de carbone en tant qu'étudiante à la maîtrise à la Wits School of Physics en 2011, où elle a fabriqué des nanotubes de carbone à paroi simple, en établissant une technique de synthèse laser. Son travail, qui a conduit à la publication de divers articles de recherche dans le domaine, a été réalisée sur des instruments du programme de piscine de location du Centre national de laser du CSIR. Elle est également la première chercheuse en Afrique à construire un appareil électronique capable de mesurer les propriétés de transfert d'électrons des nanotubes de carbone couplés à des nanoparticules magnétiques. Elle a été financée par le Centre d'excellence DST-NRF en matériaux solides.
"Les recherches de Ncube ont établi le grand potentiel des nanotubes de carbone pour les dispositifs de commutation ultra-rapides et les applications de mémoire magnétique, une réalisation à laquelle nous travaillons depuis la création de l'installation NSTPL en 2009, " déclare le directeur de thèse de Ncube, Professeur Somnath Bhattacharyya. "À ce jour, les nanotubes modifiés ont démontré un bon transport de spin pour les dispositifs fabriqués à partir de nanotubes individuels. Pour la première fois, nous avons démontré le transport d'électrons à médiation par spin dans un réseau de nanotubes sans incorporation de conducteurs magnétiques. » Le projet fait partie des objectifs décrits dans le programme phare de la NRF Nanotechnologie.
