Chercheurs de l'Université de technologie Chalmers, Suède, ont démontré l'effet spin-galvanique, qui permet de convertir la densité de spin hors équilibre en un courant de charge. Ici, en combinant du graphène avec un isolant topologique, les auteurs réalisent un effet galvanique de spin accordable par grille à température ambiante. Les résultats ont été publiés dans la revue scientifique Communication Nature .

"Nous pensons que cette réalisation expérimentale attirera beaucoup d'attention scientifique et mettra les isolants topologiques et le graphène sur la carte pour des applications dans les technologies spintronique et quantique, " déclare le professeur agrégé Saroj Prasad Dash, qui dirige le groupe de recherche du Quantum Device Physics Laboratory (QDP), le Département de Microtechnologie et Nanosciences—MC2.

Graphène, une seule couche d'atomes de carbone, possède des propriétés de transport électronique et de spin extraordinaires. Cependant, les électrons dans ce matériau subissent une faible interaction de leurs moments angulaires de spin et orbitaux, appelé couplage spin-orbite, ce qui ne permet pas d'obtenir une fonctionnalité spintronique accordable dans le graphène vierge. D'autre part, les textures de spin électroniques uniques et le phénomène de verrouillage spin-impulsion dans les isolants topologiques sont prometteurs pour les technologies émergentes de spintronique et quantique pilotées par spin-orbite. Cependant, l'utilisation d'isolants topologiques pose plusieurs défis liés à leur manque d'accordabilité électrique des grilles, interférence d'états en vrac triviaux, et la destruction des propriétés topologiques aux interfaces d'hétérostructures.

"Ici, nous relevons certains de ces défis en intégrant du graphène bidimensionnel avec un isolant topologique tridimensionnel dans les hétérostructures de van der Waals pour tirer parti de leurs propriétés spintroniques remarquables et concevoir un effet spin-galvanique induit par la proximité à température ambiante, " dit Dmitrii Khokhriakov, doctorat Étudiant à QDP, et premier auteur de l'article.

Puisque le graphène est atomiquement mince, ses propriétés peuvent être radicalement modifiées lorsque d'autres matériaux fonctionnels sont mis en contact avec lui, que l'on appelle l'effet de proximité. Par conséquent, Les hétérostructures à base de graphène sont un concept de dispositif passionnant car elles présentent une forte accordabilité de grille des effets de proximité résultant de son hybridation avec d'autres matériaux fonctionnels. Précédemment, combiner du graphène avec des isolants topologiques dans des hétérostructures de van der Waals, les chercheurs ont montré qu'un fort couplage spin-orbite induit par la proximité pouvait être induit, qui devrait produire une scission de spin Rashba dans les bandes de graphène. En conséquence, le graphène proche devrait héberger l'effet spin-galvanique, avec l'accordabilité anticipée de sa magnitude et de son signe. Cependant, ce phénomène n'avait pas été observé dans ces hétérostructures auparavant.

"Pour réaliser cet effet spin-galvanique, nous avons développé un dispositif spécial de type Hall-bar d'hétérostructures graphène-isolant topologique, " dit Dmitrii Khokhriakov.

Les dispositifs ont été nanofabriqués dans la salle blanche ultramoderne du MC2 et mesurés au Quantum Device Physics Laboratory. Le nouveau concept de dispositif a permis aux chercheurs d'effectuer des mesures complémentaires dans diverses configurations via des expériences de commutation de spin et de précession de spin Hanle, donnant une preuve sans ambiguïté de l'effet spin-galvanique à température ambiante.

"De plus, nous avons pu mettre en évidence une forte accordabilité et un changement de signe de l'effet galvanique de spin par le champ électrique de grille, ce qui rend de telles hétérostructures prometteuses pour la réalisation de dispositifs spintroniques tout électriques et accordables par grille, " conclut Saroj Prasad Dash.