Un avenir radieux pour la spintronique

Le désir de construire une électronique plus petite, plus rapide et moins chère a incité un certain nombre de chercheurs à essayer d'utiliser le spin d'un électron dans des transistors. Ces transistors spintroniques pourraient être très économes en énergie et effectuer plus de calculs que les transistors traditionnels dans un espace plus petit. De plus, dans les applications optoélectroniques, les lasers et les diodes électroluminescentes qui tirent parti du spin des électrons pourraient augmenter la capacité de transmission de données de la lumière.

Mais l'un des principaux obstacles dans ce domaine émergent est que les matériaux magnétiques et semi-conducteurs nécessaires à la fabrication d'un dispositif spintronique sont notoirement incompatibles.

Aujourd'hui, des chercheurs de l'Ohio University et de l'Ohio State University ont mis au point un système de semi-conducteurs magnétiques qui, sur la base des premiers tests, semble être une avancée. Arthur Smith , professeur de physique à l'Université de l'Ohio, et ses collègues ont réussi à faire pousser du gallium de manganèse, un métal magnétique, sur du nitrure de gallium, un semi-conducteur courant utilisé pour fabriquer des lasers bleus et des LED, et pour amplifier les signaux de radiofréquence.

Les chercheurs affirment que l'espacement des atomes dans les couches de matériau est une correspondance presque idéale, créant une interface lisse entre les couches et augmentant ainsi les chances de produire un dispositif de spintronique utilisable. Sans une interface propre, dit Smith, lorsque les électrons traversent la barrière entre le métal et le semi-conducteur, ils peuvent perdre leur spin d'origine, ruinant l'appareil. De plus, leur nouveau système conserve ses propriétés magnétiques à température ambiante, explique Smith. De nombreux matériaux spintroniques potentiels ne fonctionnent bien qu'à des températures extrêmement froides, bien que des développements récents aient produit des matériaux à température ambiante (voir A New Spin on Computing ).

Bien que des tests supplémentaires soient nécessaires pour confirmer que les électrons conserveront leurs caractéristiques de spin tout en voyageant du métal au semi-conducteur, Smith dit que ces premiers tests sont encourageants. Nous pensons qu'il y a de bonnes chances que cela fonctionne assez bien, dit-il.

Les systèmes électroniques qui utilisent le spin d'un électron - une propriété de la mécanique quantique qui se décline en deux variétés : vers le haut ou vers le bas - fonctionneraient de la même manière que les transistors d'aujourd'hui, mais présentent plusieurs avantages. Actuellement, seul le courant électrique est responsable des fonctions logiques dans les circuits. Le courant circulant dans un transistor représente un 1 ; l'absence de courant, un 0. Si le spin d'un électron pouvait être contrôlé, un électron de spin up pourrait représenter un 1, et spin down un 0.

Contrairement au courant électrique, le spin peut être maintenu même si l'alimentation est coupée, et un circuit spintronique utiliserait moins d'énergie car un courant n'aurait pas besoin d'être constamment appliqué. C'est pourquoi des entreprises telles que Freescale Semiconductor explorent la mémoire à semi-conducteurs basée sur le spin (voir A Better Memory Chip ).

Un deuxième avantage est que l'utilisation du spin peut encore augmenter la capacité de stockage et de transmission d'informations des électrons, ce qui permet aux microprocesseurs de fonctionner plus rapidement.

Smith dit que les applications électroniques pourraient être loin dans le futur pour son système, cependant ; au lieu de cela, il pourrait être mieux adapté aux applications optoélectroniques, telles que les lasers et les LED.

Plus précisément, explique-t-il, le spin des électrons dans un laser à semi-conducteur peut affecter les photons émis par ces dispositifs : un électron avec un certain spin peut créer un photon avec un spin correspondant, résultant en une lumière polarisée. La polarisation – l'orientation générale des ondes lumineuses – pourrait être exploitée pour ajouter une autre couche de données à la lumière utilisée dans les télécommunications. Actuellement, l'information est codée en ajustant la fréquence et la phase de la lumière ; le codage en polarisation pourrait donc augmenter la capacité des lignes optiques.

Les nouveaux matériaux des chercheurs de l'Ohio ont de bonnes propriétés et, par conséquent, le système pourrait être candidat pour des applications optiques, selon Kannan Krishnan , professeur de science des matériaux à l'Université de Washington à Seattle. Bien que le groupe n'ait pas construit d'appareils réels, il dit que c'est très prometteur.

Chris Palmstrom, professeur de génie chimique et de science des matériaux à l'Université du Minnesota, affirme que ce travail est le premier à faire croître du matériau magnétique sur du nitrure de gallium. Pourtant, dit-il, les chercheurs doivent prouver qu'ils peuvent en faire quelque chose.

Prouver que le système fonctionnera dans un appareil réel est la prochaine étape pour les chercheurs. Smith dit qu'ils testeront très probablement ses propriétés d'émission de lumière pour déterminer dans quelle mesure le spin des électrons dans le matériau magnétique se traduit en lumière polarisée.

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