Alors que les dispositifs électroniques modernes approchent des limites de la loi de Moore et que le défi permanent de la dissipation de puissance dans la conception des circuits intégrés se pose, il devient nécessaire d'explorer des technologies alternatives au-delà de l'électronique traditionnelle. La spintronique représente l'une de ces approches qui pourrait résoudre ces problèmes et offrir la possibilité de réaliser des dispositifs à faible consommation.

Une collaboration entre des groupes de recherche dirigés par le professeur Barbaros Özyilmaz et le professeur adjoint Ahmet Avsar, tous deux affiliés au département de physique et au département de science et d'ingénierie des matériaux de l'université nationale de Singapour (NUS), a réalisé une percée significative en découvrant le hautement nature du transport de spin anisotrope du phosphore noir bidimensionnel.

Les résultats ont été publiés dans Nature Materials .

Contrairement au mouvement conventionnel de charge dans les appareils électroniques, la spintronique se concentre sur des dispositifs pionniers qui manipulent la propriété intrinsèque des électrons connue sous le nom de « spin ». Semblable aux charges des électrons, le spin confère aux électrons une qualité de rotation, comme s'ils tournaient autour d'un axe, les faisant se comporter comme de minuscules aimants, qui ont à la fois une amplitude et une direction.

Le spin électronique peut exister dans l'un des deux états suivants, appelés spin « vers le haut » ou spin « vers le bas ». Ceci est analogue à la rotation dans le sens des aiguilles d'une montre ou dans le sens inverse.

Alors que les appareils électroniques traditionnels fonctionnent en déplaçant des charges dans le circuit, la spintronique fonctionne en manipulant le spin des électrons. Ceci est important car le déplacement de charges électriques autour des circuits électriques traditionnels entraîne nécessairement une perte d’énergie sous forme de chaleur, alors que le mouvement de rotation ne dissipe pas intrinsèquement autant de chaleur. Cette caractéristique pourrait potentiellement permettre un fonctionnement d'appareil à faible consommation.

Les chercheurs sont particulièrement intéressés par l'utilisation de matériaux à la limite atomiquement mince pour étudier les propriétés des « canaux » de spin, qui sont comme des fils pouvant faciliter le transport des spins.

Soulignant l'importance du choix des matériaux dans les dispositifs de spintronique, le professeur Özyilmaz a déclaré :« Le choix du bon matériau est primordial en spintronique. Les matériaux de canaux de spin hautement performants et fonctionnels constituent l'épine dorsale des dispositifs de spintronique, nous permettant de manipuler et de contrôler les spins pour diverses applications.

Le phosphore noir est l’un de ces matériaux émergents qui retient l’attention pour ses propriétés favorables en spintronique. Le phosphore noir a une structure cristalline plissée unique, ce qui signifie que le comportement de ses spins dépend également de leur direction.

Le professeur Avsar a déclaré :"Le phosphore noir présente un transport de spin hautement anisotrope, s'écartant du comportement isotrope normal observé dans les matériaux à canaux de spin conventionnels. Sa structure cristalline confère des caractéristiques directionnelles au transport de spin, offrant de nouvelles possibilités de contrôle des dispositifs spintroniques."

Les chercheurs ont fabriqué des valves de spin ultrafines à base de phosphore noir, encapsulées entre des couches hexagonales de nitrure de bore. L'anisotropie du transport de spin a été étudiée en injectant des spins dans le phosphore noir à une extrémité du dispositif et en mesurant le signal de spin à l'autre extrémité en modifiant la direction du courant de spin.

Les mesures ont été effectuées en appliquant un champ magnétique puissant perpendiculairement à la couche de phosphore noir et en le comparant à ceux lorsqu'un champ magnétique faible est appliqué.

Les chercheurs ont observé que l’application d’un champ magnétique puissant entraînait une forte augmentation du signal de spin. Cet effet provient de la structure cristalline plissée, car le champ magnétique puissant force les spins à pointer hors du plan du matériau, modifiant ainsi leur interaction avec leur environnement et augmentant leur durée de vie d'un facteur six.

Cette étude révèle également que le phosphore noir ultra-mince présente des durées de vie de spin en nanosecondes électriquement réglables à l'aide d'une porte arrière. L'anisotropie de spin exceptionnelle, associée à la capacité de moduler électriquement le transport de spin, permet de créer de nouveaux dispositifs qui ne sont pas uniquement contrôlés par l'état binaire du spin (haut ou bas), mais qui exploitent également l'anisotropie de spin pour obtenir un contrôle directionnel.

Cela positionne le phosphore noir comme une plate-forme unique pour une manipulation supérieure des spins, une avancée cruciale dans le domaine de la spintronique.

Plus d'informations : Luke Cording et al, Transport de spin hautement anisotrope dans le phosphore noir ultra-mince, Nature Materials (2024). DOI :10.1038/s41563-023-01779-8

Informations sur le journal : Matériaux naturels

Fourni par l'Université nationale de Singapour