Des physiciens de l’Université nationale de Singapour ont inventé un concept capable d’induire et de 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. Ce résultat de recherche a le potentiel de promouvoir le développement du domaine de l’électronique de spin bidimensionnelle et d’être appliqué à l’électronique de faible puissance.

Des chercheurs de l'Université nationale de Singapour ont démontré qu'une forte polarisation de spin se produit dans le graphène sur l'oxyde isolant ferromagnétique Tm3Fe5O12 (TmIG), avec des énergies de division de spin pouvant atteindre des centaines de meV. Le phénomène de polarisation de spin observé dans le graphène avec une énergie de division de spin importante et réglable laisse entrevoir de grands espoirs pour l'application de la spintronique bidimensionnelle dans le domaine de l'électronique de faible puissance. Source : Université nationale de Singapour

Un défi majeur auquel sont confrontés les appareils électroniques modernes, en particulier les appareils tels que les ordinateurs personnels et les smartphones, est la génération d’énergie thermique lorsqu’un courant électrique traverse un matériau, provoquant une augmentation de sa température.

Une solution potentielle consiste à utiliser le spin au lieu de la charge dans les circuits logiques. Le chauffage Joule étant réduit ou supprimé, ces circuits pourraient en principe offrir une faible consommation d’énergie et des vitesses ultra-rapides. 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. Bien que le graphène lui-même n'ait pas de polarité de spin, le placer à proximité d'un matériau magnétique peut l'induire à présenter un comportement de division de spin. Cependant, deux défis majeurs existent actuellement. L’une est l’absence de méthode directe pour déterminer l’énergie de division du spin, et l’autre est que les caractéristiques de spin et l’accordabilité du graphène sont limitées.

Percée dans la spintronique du graphène

Une équipe de recherche dirigée par le professeur Arido du Département de physique de l'Université nationale de Singapour a proposé un concept innovant pour quantifier directement l'énergie de division de spin dans le graphène magnétique en utilisant le décalage de secteur de Landau. Le déplacement du secteur de Landau est le déplacement de l'interception lors du tracé d'un ajustement linéaire de la fréquence d'oscillation par rapport au porteur de charge, qui est provoqué par 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.

Schéma montrant la diffusion d'électrons polarisés en spin dans une couche de graphène placée sur l'oxyde isolant ferromagnétique Tm3Fe5O12 (TmIG). La forte interaction d'échange entre le graphène et le TmIG conduit à une division significative du spin dans la structure du ruban de graphène. Cette division de spin entraîne à son tour de grandes différences dans les densités de porteurs de charge, dont les directions de spin sont appelées « rotation vers le haut » (↑) et « rotation vers le bas » (↓). Cette différence de densité de porteurs entraîne la génération d’un courant polarisé en spin. Source : Matériaux avancés

De plus, l’énergie de division de spin induite peut être ajustée sur une large plage grâce à une technique appelée refroidissement par champ. La polarisation de spin élevée observée dans le graphène, associée à l'accordabilité de son énergie de division de spin, offre une voie prometteuse pour le développement de la spintronique bidimensionnelle pour les dispositifs électroniques de faible puissance.

Les résultats ont été récemment publiés dans la revue Advanced Materials.

Vérification expérimentale et support théorique

Les chercheurs ont mené une série d'expériences pour valider leur méthode. Ils ont créé la structure du graphène magnétique en empilant d’abord une seule couche de graphène sur l’oxyde isolant magnétique Tm3Fe5O12 (TmIG). Cette structure unique leur a permis de quantifier directement la valeur de l’énergie de division de spin de 132 meV dans le graphène magnétique en utilisant le décalage de secteur de Landau.

Pour confirmer davantage la relation directe entre le déplacement du secteur de Landau et l'énergie de division du spin, les chercheurs ont mené des expériences de refroidissement sur le terrain pour régler le degré de division du spin dans le graphène. Ils ont également appliqué la technologie du dichroïsme circulaire magnétique à rayons X (dichroïsme circulaire magnétique à rayons X) à la source de lumière synchrotron de Singapour pour révéler l'origine de la polarisation de spin.

"Notre travail résout une controverse de longue date en spintronique bidimensionnelle en proposant le concept d'utilisation du décalage de secteur de Landau pour quantifier directement la division du spin dans les matériaux magnétiques", a déclaré le Dr Wu Junxiong, premier auteur du document de recherche et chercheur principal au Département de physique de l'Université nationale de Singapour.

Pour étayer davantage leurs découvertes expérimentales, les chercheurs ont collaboré avec une équipe théorique dirigée par le professeur Qiao Zhenhua de l'Université des sciences et technologies de Chine pour calculer l'énergie de division du spin en utilisant les premiers principes. Les résultats théoriques obtenus sont cohérents avec les données expérimentales. En outre, ils ont utilisé l’apprentissage automatique pour ajuster les données expérimentales sur la base d’un modèle phénoménologique afin de mieux comprendre l’accordabilité de l’énergie de division de spin par refroidissement par champ.

Le professeur Ariando a déclaré : « Notre travail développe une voie puissante et unique pour générer, détecter et manipuler des spins électroniques dans des matériaux atomiquement minces.

En s’appuyant sur cette étude de validation, l’équipe envisage d’explorer la manipulation des courants de spin à température ambiante. Leur objectif est d’appliquer les résultats de leurs recherches au développement de circuits logiques de spin bidimensionnels et de dispositifs de mémoire/détection magnétique. La capacité de réguler efficacement la polarisation de spin des courants pose les bases de la réalisation de transistors à effet de champ de spin entièrement électriques, ouvrant la voie à une nouvelle ère de dispositifs électroniques à faible consommation et à ultra-haute vitesse.

Source compilée : ScitechDaily