Les physiciens de l'Université nationale de Singapour (NUS) ont développé un concept pour induire et quantifier directement la division du spin dans les matériaux bidimensionnels. En utilisant ce concept, ils ont obtenu expérimentalement une grande accordabilité et un degré élevé de polarisation de spin dans le graphène. Cette réalisation de recherche peut potentiellement faire progresser le domaine de la spintronique bidimensionnelle (2D), avec des applications pour l'électronique de faible puissance.
Le chauffage Joule pose un défi important dans l’électronique moderne, en particulier dans les appareils tels que les ordinateurs personnels et les smartphones. Il s'agit d'un effet qui se produit lorsque le flux de courant électrique traversant un matériau produit de l'énergie thermique, augmentant ainsi la température du matériau. Une solution potentielle implique l’utilisation du spin plutôt que de la charge dans les circuits logiques. Ces circuits peuvent, en principe, offrir une faible consommation d’énergie et une vitesse ultrarapide, grâce à la réduction ou à l’élimination du chauffage Joule. Cela a donné naissance au domaine émergent de la spintronique.
Le graphène est un matériau 2D idéal pour la spintronique, en raison de sa longue longueur de diffusion de spin et de sa longue durée de vie, même à température ambiante. Même si le graphène n'est pas intrinsèquement polarisé en spin, il peut être amené à présenter un comportement de division de spin en le plaçant à proximité de matériaux magnétiques. Il existe cependant deux défis principaux. Il existe un manque de méthodes directes pour déterminer l'énergie de division du spin et une limitation des propriétés de spin et de l'accordabilité du graphène.
Une équipe de recherche dirigée par le professeur Ariando du Département de physique de NUS a développé un concept innovant pour quantifier directement l'énergie de division de spin dans le graphène magnétique à l'aide du déplacement en éventail de Landau. Le décalage du ventilateur de Landau fait référence au décalage de l'interception lors du tracé des ajustements linéaires de la fréquence d'oscillation avec les porteurs de charge, qui est dû à la division des niveaux d'énergie des particules chargées dans un champ magnétique. Il peut être utilisé pour étudier les propriétés fondamentales de la matière. De plus, l'énergie de division de spin induite peut être ajustée sur une large plage par une technique appelée refroidissement par champ.
La polarisation de spin élevée observée dans le graphène, associée à sa capacité à régler l'énergie de division du spin, offre une voie prometteuse pour le développement de la spintronique 2D pour l'électronique de faible puissance.
Les résultats ont été publiés dans la revue Advanced Materials. .
Les chercheurs ont réalisé une série d’expériences pour valider leur approche. Ils ont commencé par créer une structure de graphène magnétique en empilant un graphène monocouche sur un oxyde isolant magnétique Tm3 Fe5 O12 (TmIG). Cette structure unique leur a permis d'utiliser le décalage du ventilateur de Landau pour quantifier directement sa valeur d'énergie de division de spin de 132 meV dans le graphène magnétique.
Pour corroborer davantage la relation directe entre le déplacement du ventilateur de Landau et l'énergie de division de spin, les chercheurs ont réalisé des expériences de refroidissement sur le terrain pour régler le degré de division de spin dans le graphène. Ils ont également appliqué le dichroïsme circulaire magnétique à rayons X (XMCD) à la source lumineuse synchrotron de Singapour pour révéler les origines de la polarisation de spin.
Le Dr Junxiong Hu, auteur principal du document de recherche, a déclaré :« Notre travail résout la controverse de longue date en spintronique 2D, en développant un concept qui utilise le déplacement du ventilateur de Landau pour quantifier directement la division du spin dans les matériaux magnétiques. » /P>
Pour étayer davantage leurs découvertes expérimentales, les chercheurs ont collaboré avec une équipe théorique dirigée par le professeur Zhenhua Qiao de l'Université des sciences et technologies de Chine, pour calculer l'énergie de division de spin à l'aide des premiers calculs de principe.
Les résultats théoriques obtenus étaient cohérents avec leurs données expérimentales. De plus, ils ont également utilisé l'apprentissage automatique pour ajuster leurs données expérimentales sur la base d'un modèle phénoménologique, ce qui permet de mieux comprendre la possibilité de réglage de l'énergie de division de spin par refroidissement par champ.
Le professeur Ariando a déclaré :« Notre travail développe une voie robuste et unique pour générer, détecter et manipuler le spin des électrons dans des matériaux atomiquement minces. Il démontre également une utilisation pratique de l'intelligence artificielle dans la science des matériaux. Avec le développement rapide et l'intérêt significatif pour le champ des aimants 2D et du magnétisme induit par l'empilement dans des hétérostructures de Van der Waals atomiquement minces, nous pensons que nos résultats peuvent être étendus à divers autres systèmes magnétiques 2D. "
S'appuyant sur cette étude de validation de principe, l'équipe de recherche prévoit d'explorer la manipulation du courant de spin à température ambiante. Leur objectif est d'appliquer leurs découvertes au développement de circuits de logique de spin 2D et de dispositifs à mémoire magnétique/sensoriels.
La capacité d'ajuster efficacement la polarisation de spin du courant constitue la base de la réalisation de transistors à effet de champ de spin entièrement électriques, ouvrant la voie à une nouvelle ère de faible consommation d'énergie et d'électronique ultrarapide.
Plus d'informations : Junxiong Hu et al, États polarisés de spin accordables dans le graphène sur un isolant en oxyde fermagnétique, Matériaux avancés (2023). DOI : 10.1002/adma.202305763
Informations sur le journal : Matériaux avancés
Fourni par l'Université nationale de Singapour
