L'électron est l'une des particules fondamentales de la nature que nous lisons à l'école. Son comportement contient des indices sur de nouvelles façons de stocker des données numériques.

Dans une étude publiée dans Nano lettres , des physiciens de la Michigan Technological University explorent des matériaux alternatifs pour améliorer la capacité et réduire la taille des technologies de stockage de données numériques. Ranjit Pati, professeur de physique à Michigan Tech, a dirigé l'étude et explique la physique derrière la nouvelle conception de nanofils de son équipe.

"Grâce à une propriété appelée spin, les électrons se comportent comme de minuscules aimants, " Dit Pati. " De la même manière que la magnétisation d'un barreau magnétique est dipolaire, pointant du sud vers le nord, les électrons dans un matériau ont des vecteurs de moments dipolaires magnétiques qui décrivent l'aimantation du matériau."

Lorsque ces vecteurs sont dans une orientation aléatoire, le matériau est non magnétique. Lorsqu'ils sont parallèles les uns aux autres, cela s'appelle ferromagnétisme et les alignements antiparallèles sont antiferromagnétisme. La technologie actuelle de stockage de données est basée sur des matériaux ferromagnétiques, où les données sont stockées dans de petits domaines ferromagnétiques. C'est pourquoi un aimant suffisamment puissant peut gâcher un téléphone portable ou un autre stockage électronique.

Défis de stockage de données

Selon le sens de l'aimantation (qu'elle pointe vers le haut ou vers le bas), les données sont enregistrées sous forme de bits (soit un 1 soit un 0) dans des domaines ferromagnétiques. Cependant, il y a deux goulots d'étranglement, et les deux dépendent de la proximité. D'abord, rapprocher trop près un aimant extérieur, et son champ magnétique pourrait modifier la direction des moments magnétiques dans le domaine et endommager le dispositif de stockage. Et, seconde, les domaines ont chacun un champ magnétique qui leur est propre, donc ils ne peuvent pas non plus être trop proches les uns des autres. Le défi avec les plus petits, plus flexible, l'électronique plus polyvalente est qu'ils exigent des dispositifs qui rendent plus difficile la séparation des domaines ferromagnétiques en toute sécurité.

« Le conditionnement de données à ultra haute densité serait une tâche ardue avec des domaines de mémoire ferromagnétiques, " dit Pati. " Matériaux antiferromagnétiques, d'autre part, sont exempts de ces problèmes."

En soi, les matériaux antiferromagnétiques ne sont pas parfaits pour les appareils électroniques, mais ils ne sont pas influencés par les champs magnétiques extérieurs. Cette capacité à résister à la manipulation magnétique a commencé à attirer davantage l'attention de la communauté des chercheurs et l'équipe de Pati a utilisé une théorie quantique prédictive à plusieurs corps qui prend en compte les interactions électron-électron. L'équipe a découvert que les nanofils dopés au chrome avec un noyau en germanium et une coque en silicium peuvent être un semi-conducteur antiferromagnétique.

Antiferromagnétisme

Plusieurs groupes de recherche ont récemment démontré la manipulation d'états magnétiques individuels dans des matériaux antiferromagnétiques à l'aide de courant électrique et de lasers. Ils ont observé la dynamique de spin dans la fréquence térahertz, bien plus rapide que la fréquence utilisée dans nos dispositifs de stockage de données actuels. Cette observation a ouvert une pléthore d'intérêts de recherche dans l'antiferromagnétisme et pourrait conduire à plus rapidement, stockage de données de plus grande capacité.

« Dans nos récents travaux, nous avons réussi à exploiter les caractéristiques intrigantes d'un antiferromagnétique dans un nanofil complémentaire à semiconducteur compatible métal-oxyde (CMOS) sans détruire la propriété semi-conductrice du nanofil, " a déclaré Pati. " Cela ouvre des possibilités pour des appareils électroniques plus petits et plus intelligents avec une capacité de stockage et de manipulation de données plus élevée. "

Pati ajoute que la partie la plus excitante de la recherche pour son équipe était de découvrir le mécanisme qui dicte l'antiferromagnétisme. Le mécanisme est appelé superéchange et il contrôle le spin des électrons et l'alignement antiparallèle qui les rend antiferromagnétiques. Dans le nanofil de l'équipe, les électrons de germanium servent d'intermédiaire, un échangeur, entre des atomes de chrome non connectés.

"L'interaction entre les états magnétiques des atomes de chrome est médiée par les atomes intermédiaires auxquels ils sont liés. C'est un phénomène magnétique coopératif, " dit Pati. " D'une manière simple, disons qu'il y a deux personnes A et B :elles sont éloignées l'une de l'autre et ne peuvent pas communiquer directement. Mais A a un ami C et B a un ami D. C et D sont des amis proches. Donc, A et B peuvent interagir indirectement via C et D."

Mieux comprendre comment les électrons communiquent entre les amis atomiques permet à davantage d'expériences de tester le potentiel de matériaux tels que les nanofils dopés au chrome. Une meilleure compréhension de la nature antiferromagnétique du matériau des nanofils germanium-silicium est ce qui augmente le potentiel pour les plus petits, plus intelligent, électronique de plus grande capacité.