L’électronique traditionnelle utilise des semi-conducteurs pour transmettre des données par des salves de porteurs de charge (électrons ou trous) afin de transmettre des messages en « 1 » et en « 0 ». Les dispositifs spintroniques peuvent traiter un ordre de grandeur plus important d’informations en attribuant un code binaire à l’orientation des pôles magnétiques des électrons, une propriété connue sous le nom de spin : un spin « vers le haut » est un 1, un spin « vers le bas » est un 0.
L’un des principaux obstacles à la commercialisation de la spintronique est la définition et le maintien de l’orientation du spin des électrons. La plupart des dispositifs ajustent l’orientation du spin à l’aide de ferromagnétiques et de champs magnétiques, un processus fastidieux et peu fiable. Des décennies de recherche ont montré que les porteurs perdent leur orientation de spin en passant de matériaux à haute conductivité à des matériaux à faible conductivité, par exemple des ferromagnétiques métalliques au silicium non dopé et aux matériaux polymères conjugués qui constituent la plupart des semi-conducteurs modernes.
Pour la première fois, des scientifiques ont transformé des dispositifs optoélectroniques existants en dispositifs capables de contrôler le spin des électrons à température ambiante, sans ferromagnétique ni champ magnétique.
La plupart des dispositifs optoélectroniques, comme les LED, ne contrôlent que la charge et la lumière, mais pas le spin des électrons. Dans une nouvelle étude menée par des physiciens de l’Université de l’Utah et des chercheurs du National Renewable Energy Laboratory (NREL), les électrodes des LED achetées en magasin ont été remplacées par un filtre à spin breveté, fabriqué à partir d’un matériau hybride organique-inorganique à base de pérovskite. Les LED ont produit une lumière polarisée circulairement, signe révélateur que le filtre avait injecté des électrons alignés sur le spin dans l’infrastructure de semi-conducteurs existante des LED, ce qui représente un énorme progrès pour la technologie de la spintronique.
« C’est un miracle. Pendant des décennies, nous n’avons pas réussi à injecter efficacement des électrons alignés sur leur spin dans les semi-conducteurs en raison de l’inadéquation entre les ferromagnétiques métalliques et les semi-conducteurs non magnétiques », a déclaré Valy Vardeny, professeur émérite au département de physique et d’astronomie de l’Université et co-auteur de l’article. « Tous les types d’appareils qui utilisent le spin et l’optoélectronique, comme les LED à spin ou la mémoire magnétique, seront enthousiasmés par cette découverte. »
L’étude a été publié dans le journal Nature le 19 juin 2024.
Filtres rotatifs
En 2021, les mêmes collaborateurs ont développé une technologie qui agit comme un filtre de spin actif constitué de deux couches successives de matériaux, appelés perovskites hybrides organiques-inorganiques chirales. La chiralité décrit la symétrie d’une molécule, où son image miroir ne peut pas se superposer à elle-même. Les mains humaines en sont l’exemple classique : tendez les vôtres, paumes tournées vers l’extérieur. Les mains droite et gauche sont disposées comme des miroirs l’une de l’autre : vous pouvez retourner votre main droite à 180° pour correspondre à la silhouette, mais maintenant la paume droite est tournée vers vous tandis que la paume gauche est tournée vers l’extérieur. Elles ne sont pas identiques.
Certaines molécules, comme l’ADN, le sucre et les couches de perovskites hybrides organiques halogénées chirales, ont leurs atomes disposés en symétrie chirale. Le filtre fonctionne en utilisant une couche chirale orientée « vers la gauche » pour permettre aux électrons ayant un spin « vers le haut » de passer, mais bloquer les électrons ayant un spin « vers le bas », et vice versa. À l’époque, les scientifiques affirmaient que la découverte pourrait être utilisée pour transformer l’optoélectronique conventionnelle en dispositifs spintroniques simplement en incorporant le filtre de spin chiral. C’est exactement ce que la nouvelle étude a fait.
« Nous avons pris une LED sur une étagère. Nous avons retiré une électrode et mis le matériau du filtre de spin et une autre électrode ordinaire. Et voilà ! La lumière était fortement polarisée de manière circulaire », a déclaré Vardeny.
Les chimistes du NERL ont fabriqué les LED à spin en empilant plusieurs couches, chacune avec des propriétés physiques spécifiques. La première couche est une électrode métallique transparente commune ; le matériau de la deuxième couche bloque les électrons ayant un spin dans la mauvaise direction, une couche que les auteurs appellent un filtre de spin induit par la chiralité.
Les électrons alignés sur leur spin se recombinent ensuite dans la troisième couche, un semi-conducteur standard utilisé comme couche active dans les LED classiques. Les électrons alignés sur leur spin injectés amènent cette couche à produire des photons qui se déplacent à l’unisson le long d’une trajectoire en spirale, plutôt que d’un modèle d’onde conventionnel, pour produire l’électroluminescence polarisée circulaire caractéristique de la LED,
« Ce travail démontre la capacité unique et puissante de ces semi-conducteurs « hybrides » émergents à combiner et à tirer parti de l’interaction des propriétés distinctes des systèmes organiques et inorganiques », a déclaré Matthew Beard, co-auteur de l’étude du NREL. « Ici, la chiralité est empruntée aux molécules organiques et permet de contrôler le spin tandis que le composant inorganique oriente le composant organique et fournit la conductivité ou le contrôle de la charge. »
Une fois le filtre installé dans une LED standard, Xin Pan, assistant de recherche au département de physique et d’astronomie de l’Université, a confirmé que l’appareil fonctionnait comme prévu, à savoir grâce à des électrons alignés sur leur spin. Cependant, des recherches supplémentaires sont nécessaires pour expliquer les mécanismes exacts à l’œuvre pour créer les spins polarisés.
« C’est la question à 64 000 dollars à laquelle un théoricien doit répondre », a déclaré Vardeny. « C’est vraiment un miracle. Et le miracle se produit sans que l’on connaisse exactement le mécanisme sous-jacent. C’est là toute la beauté d’être expérimentaliste. Il suffit d’essayer. »
Les auteurs affirment que d’autres scientifiques peuvent appliquer la technique en utilisant d’autres matériaux chiraux, comme l’ADN, dans de nombreux contextes.
Plus d’information:
Matthew P. Hautzinger et al., Injection de spin à température ambiante à travers une interface pérovskite chirale/III–V, Nature (2024). DOI : 10.1038/s41586-024-07560-4