Les matériaux topologiques ouvrent une nouvelle voie pour explorer les matériaux des salles de spin

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Un groupe de chercheurs a réalisé une avancée majeure qui pourrait révolutionner l’électronique de nouvelle génération en permettant une non-volatilité, une intégration à grande échelle, une faible consommation d’énergie, une vitesse élevée et une fiabilité élevée dans les dispositifs spintroniques.

Les détails de leurs découvertes ont été publiés dans la revue Examen physique B le 25 août 2023.

Les dispositifs spintroniques, représentés par la mémoire vive magnétique (MRAM), utilisent la direction de magnétisation des matériaux ferromagnétiques pour le stockage d’informations et s’appuient sur le courant de spin, un flux de moment cinétique de spin, pour lire et écrire des données.

L’électronique à semi-conducteurs conventionnelle a été confrontée à des limites pour atteindre ces qualités.

Cependant, l’émergence de dispositifs spintroniques à trois bornes, qui utilisent des chemins de courant distincts pour l’écriture et la lecture des informations, présente une solution réduisant les erreurs d’écriture et augmentant la vitesse d’écriture. Néanmoins, le défi de la réduction de la consommation d’énergie lors de la rédaction d’informations, notamment lors de la commutation de magnétisation, reste une préoccupation majeure.

Une méthode prometteuse pour réduire la consommation d’énergie lors de l’écriture d’informations est l’utilisation de l’effet Hall de spin, dans lequel le moment cinétique de spin (courant de spin) circule transversalement au courant électrique. Le défi réside dans l’identification des matériaux présentant un effet Hall de spin significatif, une tâche qui a été rendue difficile par le manque de directives claires.

« Nous avons porté notre attention sur un composé unique connu sous le nom de cobalt-étain-soufre (Co3Sn2S2), qui présente des propriétés ferromagnétiques à basse température inférieure à 177 K (-96 °C) et un comportement paramagnétique à température ambiante », explique Yong-Chang Lau et Takeshi Seki, tous deux de l’Institut de recherche sur les matériaux (IMR), de l’Université du Tohoku et co. -auteurs de l’étude. « Notamment, Co3Sn2S2 est classé comme matériau topologique et présente un effet Hall anormal remarquable lorsqu’il passe à un état ferromagnétique en raison de sa structure électronique distinctive.

Lau, Seki et leurs collègues ont utilisé des calculs théoriques pour explorer les états électroniques du Co ferromagnétique et paramagnétique.3Sn2S2, révélant que le dopage électronique améliore l’effet Hall de spin. Pour valider cette prédiction théorique, des couches minces de Co3Sn2S2 partiellement substitués par du nickel (Ni) et de l’indium (In) ont été synthétisés. Ces expériences ont démontré que Co3Sn2S2 présentait l’effet Hall anormal le plus significatif, tandis que (Co2Ni)Sn2S2 a affiché l’effet Hall de spin le plus important, ce qui correspond étroitement aux prédictions théoriques.

« Nous avons découvert la corrélation complexe entre les effets Hall, ouvrant ainsi la voie à la découverte de nouveaux matériaux de spin Hall en tirant parti de la littérature existante comme guide », ajoute Seki. « Nous espérons que cela accélérera le développement de dispositifs spintroniques à très faible consommation d’énergie, marquant ainsi une étape cruciale vers l’avenir de l’électronique. »

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