Le spin est une propriété quantique fondamentale qui influence une gamme de phénomènes physiques et chimiques qui lui sont associés. L'utilisation de la propriété de spin d'un matériau pour transporter le courant a des applications dans le transfert de données à une vitesse beaucoup plus élevée, par exemple, et atteint une meilleure efficacité énergétique que les appareils traditionnels qui reposent sur des charges électriques. Cependant, cela nécessite un matériau capable de générer un courant de spin pur à longue durée de vie avec un rendement élevé.

Une équipe dirigée par le Prof LOH Kian Ping, Département de chimie et Centre des matériaux 2D avancés, NOUS, a identifié l'un de ces candidats prometteurs sous la forme d'un ditellurure de molybdène semi-métallique mince à quelques couches (MoTe 2 ). Un semi-métal est un matériau avec un très faible chevauchement entre le bas de la bande de conduction et le haut de la bande de valence. Il a des propriétés matérielles intermédiaires entre celles des métaux et des semi-conducteurs.

L'équipe s'est appuyée sur l'effet Hall de spin intrinsèque (SHE) dans MoTe 2 , qui convertit le courant de charge en courant de spin pur sans champ magnétique puissant ni méthodes d'excitation compliquées. Dans les matériaux conventionnels, SHE souffre de deux limitations. L'un est le compromis entre l'efficacité de conversion charge-spin et la longueur de diffusion du spin. Une autre est la contrainte géométrique qui nécessite le passage du courant de charge, le courant de spin et la polarisation de spin soient mutuellement orthogonaux. Ce dernier limite les configurations de dispositifs où le courant de spin peut être utilisé pour changer l'orientation d'une couche magnétique dans les dispositifs magnétiques.

Le professeur Loh a dit, "Nous avons découvert que les deux limitations peuvent être surmontées en abaissant la symétrie du MoTe semi-métallique 2 cristal. En pratique, cela nécessite simplement le MoTe 2 cristal à éclaircir jusqu'à une épaisseur de quelques couches."

Dr SONG Peng, le premier auteur de l'article, obtenu des échantillons atomiquement minces en utilisant la méthode d'exfoliation au scotch et fabriqué les dispositifs pour étudier la conversion charge-spin. En utilisant une électrode non magnétique pour injecter des charges dans l'échantillon, il a pu générer un courant de spin pur et mesurer sa longueur de diffusion dans le matériau. Une efficacité de conversion charge-spin d'environ 30 % et une longueur de diffusion de spin d'environ 2 µm ont été obtenues. La combinaison des deux caractéristiques est très rare et n'a pas été observée dans d'autres matériaux, y compris l'arséniure de platine et de gallium.

L'équipe a expliqué que l'innovation réside dans la rupture de la symétrie ainsi que dans la réduction de la dimensionnalité du cristal. Le couplage spin-orbite, qui est responsable du courant de spin, présente un comportement inhabituel dans le MoTe atomiquement mince 2 . En plus de générer efficacement un courant de spin, il aide également le courant de spin à se propager sur une distance de 2 um, qui est beaucoup plus longue que la longueur de diffusion de spin (environ 10 nm) trouvée dans les métaux Hall de spin couramment étudiés, comme le platine et le tungstène.

En outre, l'équipe a identifié une nouvelle forme de SHE, qu'ils ont appelé Planar SHE pour désigner le fait que la polarisation de spin et le courant de charge peuvent être colinéaires au lieu d'être orthogonaux. La réduction de la symétrie cristalline est responsable de la génération de SHE planaire. Un tel effet peut être appliqué pour commuter l'aimantation dans les jonctions à effet tunnel magnétique en utilisant l'effet de couple de transfert de spin.

"Notre étude a non seulement identifié un matériau prometteur pour les futurs appareils économes en énergie, mais découvre également le concept selon lequel la réduction de symétrie peut être une stratégie puissante pour manipuler les effets liés au spin-orbite, " a ajouté le professeur Loh.

Prochain, l'équipe envisage d'intégrer ce matériel dans des dispositifs fonctionnels, comme la mémoire vive, pour des applications potentielles dans le monde réel.

L'étude est publiée dans Matériaux naturels .