Plus d’un demi-siècle après le silicium, la spintronique pourrait prendre le relais

Dans un univers où l’électronique a longtemps régné en maître, une nouvelle ère se profile à l’horizon, celle de la spintronique. Cette technologie, qui exploite une propriété fondamentale des électrons appelée spin, pourrait bien redéfinir les contours de l’informatique, des appareils à faible consommation d’énergie aux ordinateurs quantiques.

Le défi des matériaux pour la spintronique

Depuis plus d’un demi-siècle, le silicium est le semi-conducteur de choix pour l’électronique. La recherche de matériaux adaptés à la spintronique, en particulier les semi-conducteurs non magnétiques, représente pourtant un défi de taille. Une étude dirigée par Yuan Ping, professeure associée en science et ingénierie des matériaux à l’Université du Wisconsin-Madison, offre une nouvelle perspective dans cette quête.

En utilisant un cadre théorique et de nouveaux outils développés par Ping, elle et son équipe pluridisciplinaire ont évalué les caractéristiques spintroniques d’un groupe de matériaux appelés halogénures de pérovskites, une classe prometteuse de semi-conducteurs déjà utilisés dans les LED, les cellules photovoltaïques, les lasers et d’autres dispositifs optoélectroniques.

Les propriétés clés d’un bon semi-conducteur spintronique

Deux propriétés sont essentielles pour un bon semi-conducteur spintronique. La première est appelée couplage spin-orbite, qui concerne la facilité de manipulation de l’état de spin. La seconde est le temps de relaxation et de décohérence du spin, soit la durée de vie d’un état de spin. Jusqu’à présent, aucun matériau spintronique ne présente un bon score pour ces deux propriétés.

La recherche de matériaux combinant ces deux propriétés est souvent un jeu de devinettes. Dans des travaux précédents, Yuan Ping et ses collègues ont créé une plateforme de calcul prédictive basée sur la mécanique quantique pour évaluer ces propriétés dans divers matériaux. Ce système permet une conception rationnelle de nouveaux matériaux.

Les halogénures de pérovskites : des candidats prometteurs

Dans ce nouveau projet, Yuan Ping a appliqué cette plateforme prédictive aux halogénures de pérovskites, ce qui a permis à l’équipe de déterminer plusieurs caractéristiques uniques de ces matériaux. « Si nous comprenons les mécanismes sous-jacents, alors nous pouvons proposer comment manipuler la symétrie, le couplage spin-orbite et le couplage électron-phonon du cristal pour améliorer les caractéristiques spintroniques », explique la chercheuse de l’Université du Wisconsin.

Les expérimentateurs ont synthétisé un film de pérovskite halogénure de haute qualité et mesuré la durée de vie du spin grâce à des techniques magnéto-optiques résolues dans le temps, constatant que les résultats concordaient avec ceux de la modélisation théorique.

Yuan Ping affirme que ces travaux permettront aux chercheurs de continuer à étudier et à ajuster les halogénures de pérovskites, qui sont de bons candidats pour une utilisation dans des dispositifs spintroniques commerciaux car ils sont peu coûteux, peuvent fonctionner à température ambiante et ne nécessitent pas de techniques de synthèse difficiles.

En synthèse

La spintronique représente une avancée majeure pour l’avenir de l’informatique. La recherche de matériaux adaptés à cette technologie est un défi de taille, mais les travaux de Yuan Ping et de son équipe sur les halogénures de pérovskites ouvrent de nouvelles perspectives. Ces matériaux prometteurs pourraient bien être la clé de la prochaine génération de dispositifs spintroniques.

Pour une meilleure compréhension

Qu’est-ce que la spintronique ?

La spintronique est une technologie qui exploite une propriété fondamentale des électrons appelée spin pour enregistrer et traiter l’information.

Quels sont les avantages de la spintronique par rapport à l’électronique ?

La spintronique pourrait conduire à des dispositifs plus rapides, plus efficaces et plus puissants, permettant une informatique quantique de pointe, ainsi que des technologies de détection et de communication avancées.

Qu’est-ce que les halogénures de pérovskites ?

Les halogénures de pérovskites sont une classe de semi-conducteurs déjà utilisés dans divers dispositifs optoélectroniques, tels que les LED, les cellules photovoltaïques et les lasers.

Pourquoi les halogénures de pérovskites sont-ils prometteurs pour la spintronique ?

Les halogénures de pérovskites sont prometteurs car ils sont peu coûteux, peuvent fonctionner à température ambiante et ne nécessitent pas de techniques de synthèse difficiles.

Quels sont les défis de la recherche de matériaux pour la spintronique ?

Le principal défi est de trouver des matériaux qui combinent deux propriétés clés : un bon couplage spin-orbite et une longue durée de vie du spin.

Références

Yuan Ping, et al. « Spintronics and Semiconductors: The Future of Computing. » Nature Communications, 2024. https://www.nature.com/articles/s41467-023-42835-w

Les autres auteurs sont Junqing Xu de l’université technologique de Hefei et de l’université de Californie à Santa Cruz, Kejun Li de l’université de Californie à Santa Cruz, Uyen N. Huynh et Valy Vardeny de l’université de l’Utah, Mayada Fadel et Ravishankar Sundararaman de l’institut polytechnique de Rensselaer et Jinson Huang de l’université de Caroline du Nord.