La technologie rapportée dans une nouvelle étude a des applications nanoélectroniques
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Une équipe de recherche dirigée par un physicien de l’Université de Californie à Riverside a mis en évidence un nouvel état magnétisé dans une monocouche de ditellurure de tungstène, ou WTe2, un nouveau matériau quantique. Appelé isolant Hall de spin quantique magnétisé ou ferromagnétique, ce matériau d’une épaisseur d’un atome a un intérieur isolant mais un bord conducteur, ce qui a des implications importantes pour le contrôle du flux d’électrons dans les nanodispositifs.
Dans un conducteur typique, le courant électrique circule uniformément partout. Les isolateurs, en revanche, ne conduisent pas facilement l’électricité. Ordinairement, monocouche WTe2 est un isolant spécial avec un bord conducteur; la magnétiser lui confère des propriétés plus inhabituelles.
“Nous avons empilé le WTe monocouche2 avec un ferromagnétique isolant de plusieurs épaisseurs de couches atomiques — de Cr2Ge2Te6ou simplement CGT – et a constaté que le WTe2 avait développé le ferromagnétisme avec un bord conducteur “, a déclaré Jing Shi, un éminent professeur de physique et d’astronomie à l’UCR, qui a dirigé l’étude. “Le flux de bord des électrons est unidirectionnel et peut être amené à changer de direction à l’aide d’un externe champ magnétique.”
Shi a expliqué que lorsque seul le bord conduit l’électricité, la taille de l’intérieur du matériau est sans importance, ce qui permet de réduire la taille des appareils électroniques qui utilisent de tels matériaux – en fait, presque aussi petit que le bord conducteur. Étant donné que les appareils utilisant ce matériau consommeraient moins d’énergie et dissiperaient moins d’énergie, ils pourraient être rendus plus économes en énergie. Les batteries utilisant cette technologie, par exemple, dureraient plus longtemps.
Les résultats de l’étude apparaissent dans Communication Nature.
Actuellement, la technologie ne fonctionne qu’à très basse température ; Le CGT est ferromagnétique à environ 60 K (ou -350 F). L’objectif des recherches futures serait de faire fonctionner la technologie à des températures plus élevées, permettant de nombreuses applications nanoélectroniques telles que les puces de mémoire non volatile utilisées dans les ordinateurs et les téléphones portables.
Selon Shi, le bord conducteur dans les isolateurs Hall à spin quantique idéaux comprend deux canaux étroits côte à côte, semblable à une autoroute à deux voies avec des voitures roulant dans des directions opposées. Les électrons circulant dans un canal ne peuvent pas traverser l’autre canal, a déclaré Shi, à moins que des impuretés ne soient introduites. Le bord conducteur en monocouche WTe2 a été visualisé pour la première fois dans une étude antérieure par le co-auteur Yongtao Cui, professeur agrégé de physique et d’astronomie à l’UCR et collègue de Shi.
“C’est deux canaux par bord”, a déclaré Shi. “Si vous éliminez un canal, vous vous retrouvez avec un courant ne circulant que dans une seule direction, vous laissant avec ce qu’on appelle un isolant Hall anormal quantique, encore un autre matériau quantique spécial. Un tel isolant n’a qu’une seule voie d’autoroute, pour utiliser l’autoroute. analogie. Cet isolant transporte les électrons d’une manière entièrement polarisée en spin.”
D’autre part, le WTe magnétisé2 que Shi et ses collègues ont expérimenté est appelé un isolant Hall de spin quantique ferromagnétique, qui a un bord conducteur avec des électrons partiellement polarisés en spin.
“Dans les deux canaux des isolants Hall à spin quantique ferromagnétiques, nous avons un nombre inégal d’électrons circulant dans des directions opposées, ce qui donne un courant net, que nous pouvons contrôler avec un aimant externe”, a déclaré Shi.
Selon Shi, les matériaux quantiques tels que WTe2 sont l’avenir de la nanoélectronique.
“La loi CHIPS encouragera les chercheurs à proposer de nouveaux matériaux dont les propriétés sont supérieures à celles des matériaux en silicium actuels”, a-t-il déclaré.
Shi a été rejoint dans l’étude par Cui et Xi Chen à l’UCR ainsi que par les chercheurs suivants dans leurs laboratoires : Mina Rashetnia, Mark Lohmann et Youming Xu. Le premier auteur, Junxue Li, était chercheur postdoctoral dans le laboratoire de Shi lorsque la recherche a été effectuée. Les autres coauteurs de l’article sont Jahyun Koo et Binghai Yan de l’Institut Weizmann des sciences en Israël ; Xiao Zhang et Shuang Jia de l’Université de Pékin en Chine ; et Kenji Watanabe et Takashi Taniguchi de l’Institut national des sciences des matériaux au Japon.
Shi a été soutenu dans la recherche par des subventions du ministère de l’Énergie et de la National Science Foundation.
