Une illustration montre la charge non conventionnelle de la transduction de spin dans un matériau quantique à structure cristalline à faible symétrie. (À gauche) Un modèle montrant la structure cristalline de WTe2 , où l'axe a et l'axe b sont étiquetés. Le cristal est invariant (non invariant) lors d'une opération miroir bc (ac). (En haut à droite) Lorsqu'un courant de charge (indiqué par une flèche jaune) est appliqué le long de l'axe b, il n'y a qu'une composante dans le plan de la polarisation de spin, comme indiqué par les flèches vertes. (En bas à droite) D'autre part, lorsqu'un courant de charge est appliqué le long de l'axe a, il existe une composante hors du plan de la polarisation de spin, comme indiqué par les flèches vertes. Ce courant de spin orienté hors du plan est utilisé pour changer l'aimantation dans ce travail. Crédit :Université Carnegie Mellon
Lorsque les doctorants de l'Université Carnegie Mellon I-Hsuan Kao et Ryan Muzzio ont commencé à travailler ensemble, un interrupteur s'est allumé. Puis éteint.
Travaillant au sein du groupe LIQUID (Labor for Investigating Quantum Materials, Interfaces and Devices) du Département de physique, Kao, Muzzio et d'autres partenaires de recherche ont pu montrer une preuve de concept selon laquelle faire passer un courant électrique à travers un nouveau matériau bidimensionnel pourrait contrôler le état magnétique d'un matériau magnétique voisin sans qu'il soit nécessaire d'appliquer un champ magnétique externe.
Le travail révolutionnaire, qui a été publié dans Nature Materials en juin et a un brevet connexe en instance, a des applications potentielles pour le stockage de données dans les produits de consommation tels que les appareils photo numériques, les smartphones et les ordinateurs portables.
"Ce que nous faisons ici, c'est utiliser des matériaux ultrafins - souvent de l'épaisseur de quelques atomes - et les empiler les uns sur les autres pour créer des appareils de haute qualité", a déclaré Kao (à droite), qui était le premier auteur de l'article.
Simranjeet Singh, professeur adjoint de physique et Jyoti Katoch, professeur adjoint de physique, supervisent le groupe LIQUID, qui étudie les propriétés physiques intrinsèques des matériaux quantiques bidimensionnels tels que le ditellurure de tungstène (WTe2 ) et leurs propriétés électroniques et liées au spin.
"Les spins et le magnétisme sont partout autour de nous", a déclaré Singh. "Les atomes se configurent d'une manière particulière sur un réseau atomique qui, à son tour, dicte les propriétés des matériaux. Pour WTe2 , il a une structure cristalline à faible symétrie qui nous permet de générer un type spécial de courant de spin en appliquant un champ électrique."
La façon dont les atomes sont configurés dans WTe2 permet un courant de spin orienté hors du plan qui à son tour peut être utilisé pour contrôler l'état de magnétisation d'un aimant. Singh a déclaré que pour changer l'état magnétique (vers le haut ou vers le bas) de la plupart des matériaux magnétiques à l'aide du courant de spin étudié jusqu'à présent, un champ magnétique est appliqué horizontalement ou dans le plan. Avoir un matériau capable de changer de magnétisme sans avoir besoin d'un champ magnétique externe peut conduire à des dispositifs logiques et de stockage de données économes en énergie.
Le travail pourrait être appliqué aux dispositifs de mémoire à accès aléatoire magnétorésistifs (MRAM), qui ont le potentiel de réaliser des bits de stockage de données à haute vitesse et densément emballés tout en utilisant moins d'énergie.
"Les gens peuvent déjà le faire, vous pouvez prendre un matériau, appliquer un champ électrique pour générer un courant de spin orienté dans le plan et l'utiliser pour faire passer la magnétisation d'un état haut à un état bas ou vice-versa, mais cela nécessite un externe champ magnétique", a déclaré Muzio (à gauche). "Ce qui revient à trouver un matériau qui a la propriété intrinsèque qui inclut la rupture de symétrie."
Kao a apporté son expertise sur le magnétisme, tandis que Muzzio a compris comment construire les dispositifs et étudie le comportement des électrons dans les systèmes matériels. Pour montrer que le comportement était reproductible, Kao et Muzzio ont créé plus de 20 appareils en deux ans.
Les dispositifs simples sont minuscules et permettent à un interrupteur d'être tourné vers le haut ou vers le bas, pensez-y comme des zéros et des uns en binaire, a déclaré Kao. Bien que les dispositifs puissent avoir une longueur ou une largeur de 3 à 50 microns, leur épaisseur est inférieure à 1/200ème de cheveu humain.
"Nous venons de gratter la surface de ce que ce matériau peut faire", a déclaré Muzio. "Il y a tellement plus d'espace de paramètres à explorer et tellement de façons d'utiliser ce matériau. Ce n'est que le début." Un moteur à quatre temps pour les atomes
