La spintronique devient organique

Dans les circuits électroniques, les transistors et les dispositifs de mémoire traitent et stockent la charge d'un électron. La manipulation d'une autre propriété des électrons, le phénomène de mécanique quantique connu sous le nom de spin, pourrait conduire à des ordinateurs plus rapides, plus petits et plus économes en énergie. Des chercheurs de l'Université de l'Utah ont maintenant fait un premier pas vers des dispositifs spintroniques fabriqués à partir de matériaux organiques, qui devraient être moins chers et plus faciles à fabriquer qu'avec les matériaux utilisés jusqu'à présent.

En un tour : Les physiciens Christoph Boehme (à droite) et John Lupton ont trouvé un moyen de contrôler un courant électrique dans une LED organique en modifiant l'état de spin des électrons dans le matériau. Il s'agit d'un premier pas vers de petits dispositifs spintroniques rapides fabriqués à partir de semi-conducteurs organiques.

Dans un article publié en Matériaux naturels , les chercheurs décrivent une nouvelle expérience qui leur a permis de mesurer les spins des électrons dans une diode électroluminescente organique (OLED). À l'aide d'un champ magnétique, ils ont pu contrôler l'état de rotation du matériau, ce qui a également modifié le courant électrique sortant de l'appareil.

Un dispositif spintronique pratique devrait utiliser le courant électrique pour contrôler et lire les spins. Même si les chercheurs de l'Utah ont utilisé un champ magnétique pour contrôler la rotation, leurs travaux démontrent la possibilité de la spintronique dans les semi-conducteurs organiques, explique Johan van Tol, qui fait des recherches sur la spintronique au Laboratoire national des champs magnétiques élevés à Tallahassee, Floride. La manipulation du spin a été effectuée dans d'autres matériaux, mais pas dans ce type de polymères, dit-il.

Les dispositifs spintroniques sont plus facilement fabriqués à partir de métaux magnétiques, et les chercheurs ont également signalé des progrès dans leur fabrication à partir de semi-conducteurs inorganiques conventionnels tels que le silicium et l'arséniure de gallium. Mais l'utilisation de semi-conducteurs organiques pourrait avoir de gros avantages. [Les dispositifs organiques] sont faciles à fabriquer, à déposer et à structurer ; tout est très bon marché, dit Christoph Boehme , professeur adjoint de physique à l'Utah et co-auteur du nouvel article. Vous pouvez les déposer sur un support souple, et vous pouvez les déposer par impression jet d'encre.

Le spin des électrons peut prendre l'une des deux directions suivantes : vers le haut et vers le bas. Dans les circuits électroniques conventionnels, le courant circulant dans un transistor représente un bit avec une valeur de un , tandis que l'absence de courant signifie un bit avec une valeur de 0 . Dans un dispositif spintronique, un et 0 sont représentés par une rotation vers le haut ou vers le bas.

Pour fabriquer un dispositif spintronique fonctionnel, il est important de mesurer avec précision la direction du spin. À l'heure actuelle, des électrons avec des spins alignés peuvent être injectés dans un matériau, mais déterminer si ces électrons maintiennent leurs spins est important si ce spin doit être contrôlé dans un appareil.

Dans leur expérience, Boehme et ses collègues ont lu le spin dans un OLED polymère en mesurant le courant qui en sort. Ils ont attaché des électrodes à l'appareil et l'ont bombardé d'une impulsion micro-onde toutes les 500 microsecondes.

Boehme explique que le spin peut être considéré comme un petit aimant en forme de barre, pointant dans une certaine direction. Dans une LED, lorsque la tension est appliquée dans une certaine direction, les électrons chargés négativement et les trous chargés positivement forment des paires. Chaque paire se désintègre par la suite, ou perd de l'énergie, émettant un photon. Étant donné que l'électron et le trou ont chacun un spin spécifique, la paire électron-trou peut prendre l'un des quatre états de spin : haut-haut, haut-bas, bas-haut et bas-bas. Un seul de ces quatre peut se désintégrer et produire de la lumière, dit Boehme. Cela signifie que les OLED fabriquées à partir du polymère n'atteindront probablement pas des rendements supérieurs à 25 %, ajoute-t-il.

Dans le même temps, la direction de rotation d'une particule peut changer. Ainsi, parmi toutes les paires électron-trou formées dans le matériau LED, selon Boehme, l'une de celles qui ne peuvent pas [émettre de lumière] peut soudainement basculer et se transformer en l'un des quatre états pouvant produire de la lumière. Plus d'états électroluminescents augmentent le rendement lumineux du matériau, mais comme les électrons et les trous sont annihilés, le courant diminue.

L'impulsion micro-ondes modifie les spins dans l'OLED polymère d'une manière déterminée par la longueur et la fréquence de l'impulsion. Le résultat est de créer alternativement plus ou moins d'états électroluminescents, en diminuant et en augmentant le courant. Plus la fréquence de l'impulsion micro-ondes est élevée, plus le courant augmente et diminue rapidement.

Nous avons montré que lorsque vous manipulez des spins de manière cohérente, lorsque vous les faites tourner de haut en bas et tout le reste, vous pouvez voir l'empreinte du mouvement de spin sur le courant que vous mesurez, dit Boehme.

Les chercheurs pensent que leurs travaux pourraient également aider à améliorer les OLED. L'introduction d'impuretés dans les matériaux polymères pourrait modifier la vitesse à laquelle les électrons du matériau retournent leurs spins, explique Boehme. Cela pourrait créer de plus en plus d'états électroluminescents, augmenter l'efficacité de l'OLED de plus de 25 % et conduire à des appareils plus lumineux.

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