Les électrons tournants ouvrent la porte à l'électronique hybride future


Une découverte de la façon de contrôler et de transférer des électrons de filage ouvre la voie à de nouveaux dispositifs hybrides qui pourraient surpasser l'électronique semi-conductrice existante. Dans une étude publiée dans Nature Communications les chercheurs de l'Université Linkoping en Suède démontrent comment combiner un semiconducteur couramment utilisé avec un isolant topologique, un état de matière récemment découvert avec des propriétés électriques uniques.

Tout comme la Terre tourne autour de son propre axe, il en va de même qu'un électron, dans le sens des aiguilles d'une montre ou dans le sens inverse des aiguilles d'une montre. "Spintronics" est le nom utilisé pour décrire les technologies qui exploitent à la fois le spin et la charge de l'électron. Les applications actuelles sont limitées et la technologie est principalement utilisée dans les disques durs informatiques. Spintronics promet de grands avantages par rapport à l'électronique conventionnelle, y compris une consommation d'énergie réduite et une vitesse plus élevée.

En termes de conduction électrique, les matériaux naturels sont classés en trois catégories: conducteurs, semi-conducteurs et isolateurs. Les chercheurs ont récemment découvert une phase exotique de matière connue sous le nom de «isolateurs topologiques», qui est un isolant à l'intérieur, mais un conducteur à la surface. L'une des propriétés les plus frappantes des isolateurs topologiques est qu'un électron doit se déplacer dans une direction spécifique le long de la surface du matériau, déterminée par sa direction de rotation. Cette propriété est connue sous le nom de "verrouillage dynamique".

"La surface d'un isolant topologique est comme une autoroute divisée bien organisée pour les électrons, où les électrons ayant une direction de rotation se déplacent dans une direction, tandis que les électrons avec la direction de rotation inverse se déplacent dans la direction opposée. Voyager rapidement dans leurs directions désignées sans heurter et sans perdre de l'énergie », explique Yuqing Huang, étudiant au doctorat au Département de physique, chimie et biologie (IFM) de l'Université Linkoping.

Ces propriétés rendent les isolateurs topologiques prometteurs pour les applications spintroniques. Cependant, une question clé est de savoir comment générer et manipuler le courant de rotation de la surface dans les isolateurs topologiques.

L'équipe de recherche derrière l'étude actuelle a maintenant pris la première étape vers le transfert d'électrons orientés vers les spin entre un isolant topologique et un semiconducteur conventionnel. Ils ont généré des électrons avec le même spin dans l'arséniure de gallium, GaAs, un semi-conducteur couramment utilisé dans l'électronique. Pour ce faire, ils ont utilisé une lumière à polarité circulaire, dans laquelle le champ électrique tourne dans le sens des aiguilles d'une montre ou dans le sens inverse des aiguilles d'une montre lorsqu'on le voit dans le sens de déplacement de la lumière. Les électrons polarisés par spin pourraient ensuite être transférés de GaAs à un isolant topologique, pour générer un courant électrique directionnel à la surface. Les chercheurs pourraient contrôler l'orientation du spin des électrons, et la direction et la force du courant électrique dans l'isolateur topologique du tellurure de bismuth, Bi 2 Te 3 . Cette flexibilité, selon les chercheurs, n'était pas encore disponible. Tout cela a été accompli sans appliquer une tension électrique externe, ce qui démontre le potentiel d'une conversion efficace de l'énergie lumineuse en électricité. Les résultats sont importants pour la conception de nouveaux dispositifs spintroniques qui exploitent l'interaction de la matière avec la lumière, une technologie appelée «opto-spintronique».

«Nous combinons les propriétés optiques supérieures de GaAs avec les propriétés électriques uniques d'un isolant topologique. Cela nous a donné de nouvelles idées pour concevoir des dispositifs opto-spintroniques qui peuvent être utilisés pour un stockage et un échange d'informations efficaces et robustes, Le traitement et la lecture dans les technologies de l'information futures ", explique le professeur Weimin Chen, qui a dirigé l'étude.

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La recherche a été réalisée en collaboration avec des scientifiques de l'Académie chinoise des sciences à Shanghai. Il a été financé avec le soutien du Conseil suédois de la recherche, de la zone de recherche stratégique du gouvernement suédois en sciences des matériaux sur les matériaux fonctionnels de l'Université Linkoping, de la Fondation suédoise pour la recherche stratégique, du Programme clé de la Fondation des sciences naturelles de Chine et de la Natural Science Foundation of China.

Article: injection de spin et contrôle de l'hélicité du photocourant de spin de surface dans un isolant topologique tridimensionnel, Y.Q. Huang, Y.X. Song, S.M. Wang, I.A. Buyanova, W.M. Chen, Nature Communications 8, publié en ligne le 22 mai 2017, doi: 10.1038 / ncomms15401

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Weimin Chen, professeur, weimin.chen@liu.se + 46 13-281795 ou +46 70 512 1388

Karin Soderlund Leifler, agente de presse, karin.soderlund.leifler@liu.se +46 13 281395

                

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