Afin de fabriquer des transistors qui fonctionnent en utilisant le spin des électrons plutôt que leur charge, il est nécessaire de trouver un moyen d'activer et de désactiver les courants de spin. Par ailleurs, la durée de vie des spins doit être au moins égale au temps mis par ces électrons pour parcourir un circuit. Les scientifiques de l'Université de Groningue ont maintenant franchi une étape importante en créant un appareil qui répond à ces deux exigences, basé sur une double couche de graphène sur une couche de disulfure de tungstène. Leurs résultats ont été publiés le 16 octobre dans la revue Examen physique B .

Graphène, une forme bidimensionnelle de carbone, est un excellent conducteur de spins électroniques. Cependant, il est difficile de manipuler les courants de spin dans ce matériau. Le spin est une propriété de mécanique quantique des électrons, ce qui les fait se comporter comme de minuscules aimants. Le groupe Physique des nanodispositifs de l'Université de Groningue, dirigé par le professeur Bart van Wees, travaille sur ce problème. Ils ont déjà montré qu'il est possible de contrôler les courants de spin si le graphène est placé au-dessus d'une couche de bisulfure de tungstène (un autre matériau 2-D).

Nouvelle technique

"Toutefois, cette approche réduit la durée de vie des spins, " explique Siddhartha Omar, un post-doctorat dans le groupe Van Wees. Le tungstène est un métal, et ses atomes influencent les électrons traversant le graphène, dissiper les courants de spin. Cela a conduit Omar à utiliser une double couche de graphène sur le disulfure de tungstène, basé sur la théorie selon laquelle les électrons traversant la couche supérieure devraient « ressentir » moins l'influence des atomes métalliques.

Omar a également utilisé une autre nouvelle technique, dans lequel deux types différents de courant de spin sont passés à travers le graphène. Le spin est un moment magnétique qui a une direction donnée. Dans les matériaux normaux, les tours ne sont pas alignés. Cependant, le moment magnétique des courants de spin, comme celui des aimants, a un alignement préférentiel. Par rapport au matériau traversé par les électrons, leurs spins peuvent avoir une orientation dans le plan ou une orientation hors du plan.

Niveau d'énergie

"Nous avons trouvé que, lorsque les électrons traversent la couche externe de graphène, les spins dans le plan se dissipent très rapidement, en quelques picosecondes seulement. Cependant, la durée de vie des spins hors plan est environ cent fois plus longue." Cela signifie que, même en présence de bisulfure de tungstène, une composante des courants de spin (spins avec une orientation hors du plan) peut se déplacer suffisamment loin pour être utilisée dans des dispositifs tels que des transistors.

Le niveau d'énergie des courants de spin observés par Omar les a fait traverser la couche supérieure de graphène. Ce niveau d'énergie peut être augmenté en appliquant un champ électrique, pousser les courants de spin dans la couche inférieure. « Là-bas, les spins ressentiront le plein effet des atomes métalliques et les courants de spin se dissiperont rapidement, " explique Omar. Cette capacité à couper le courant de spin à l'aide d'un champ électrique est importante, car il pourrait être utilisé pour « gater » des transistors basés sur cette technologie.

"Malheureusement, certaines limitations techniques du substrat sur lequel nous avons construit ces appareils nous empêchent de créer des champs électriques suffisamment puissants pour produire cet effet de gating, " dit Omar. " Cependant, nous avons montré qu'il est possible d'envoyer des courants de spin à travers une hétérostructure constituée de graphène et de bisulfure de tungstène. C'est une étape importante vers la création d'un transistor de spin."