Des lumières clignotantes en rotation représentent le concept de rotation.
L’exploitation du spin des électrons ajoute une nouvelle dimension au codage des données.
Vous vous souvenez des flip-phones ? Nos smartphones pourraient un jour sembler tout aussi obsolètes grâce à la spintronique, un domaine de recherche naissant qui promet de révolutionner la façon dont nos appareils électroniques envoient et reçoivent des signaux.
Dans la plupart des technologies actuelles, les données sont codées sous la forme d’un zéro ou d’un un, en fonction du nombre d’électrons qui atteignent un condensateur. Avec la spintronique, les données sont également transférées en fonction de la direction dans laquelle ces électrons tournent.
Dans une nouvelle étude publiée cette semaine dans les Proceedings of the National Academy of Sciences, une équipe de chercheurs de l’Université Duke et de l’Institut Weizmann, dirigée par Michael Therien, professeur de chimie à Duke, fait état d’une réalisation clé dans ce domaine : le développement d’un système conducteur qui contrôle le spin des électrons et transmet un courant de spin sur de longues distances, sans avoir recours aux températures ultra-froides requises par les conducteurs de spin typiques.
“Les structures que nous présentons ici sont passionnantes car elles définissent de nouvelles stratégies pour générer des courants de spin de grande magnitude à température ambiante”, a déclaré Chih-Hung Ko, premier auteur de l’article et récent docteur en chimie de Duke.
Les électrons sont comme des toupies. Les électrons de spin supérieur tournent dans le sens des aiguilles d’une montre et les électrons de spin inférieur tournent dans le sens inverse des aiguilles d’une montre. Les électrons de spins opposés peuvent occuper le même volume, mais les électrons qui tournent dans le même sens se repoussent, comme des aimants de même polarité.
En contrôlant la façon dont les électrons tournent le long d’un courant, les scientifiques peuvent coder une nouvelle couche d’information dans un signal électrique.
Plutôt que de simplement allumer et éteindre des condensateurs de manière binaire, les dispositifs spintroniques pourraient également envoyer des signaux en fonction du spin de l’électron, où un spin-up peut signifier quelque chose de différent d’un spin-down.
“Puisque le spin peut être haut ou bas, c’est un élément d’information binaire qui n’est pas exploité dans les dispositifs électroniques conventionnels”, a déclaré David Beratan, professeur de chimie et de physique à Duke et co-auteur de l’article.
Un nouveau supraconducteur moléculaire utilise des molécules chirales spéciales, gauches ou droites, pour filtrer les électrons et transmettre des courants de spin sur de longues distances et à température ambiante. Crédit : Ko et al. PNAS 4 février 2022
Les courants des dispositifs ordinaires sont composés d’un nombre égal d’électrons de spin-up et de spin-down. À température ambiante, il est difficile de générer un courant composé en grande partie d’un seul spin. Les spins se retournent, s’effondrent les uns sur les autres, se désaxent et déforment le signal comme une mauvaise partie de téléphone.
Aujourd’hui, M. Therien et son équipe ont mis au point une stratégie pour construire des conducteurs moléculaires qui maintiennent les électrons en ligne, garantissant qu’ils tournent tous en harmonie et propageant la direction du spin sur de longues distances, ce qui permet de transmettre des signaux avec une grande fidélité, à température ambiante.
“Tout est question de la persistance de cette polarisation du spin”, explique Beratan. “Ces spins sont bousculés, ils interagissent avec les molécules environnantes, avec tout ce qui peut se trouver à proximité, et cela peut les faire basculer. Ici, l’orientation de leur spin persiste, sur de longues périodes et de longues distances. Ils restent alignés.”
Les électrons qui tournent dans la mauvaise direction peuvent être filtrés hors d’un système en utilisant une classe spéciale de molécules appelées molécules chirales.
Les molécules chirales sont des molécules qui se distinguent par le fait qu’elles ont une main. Comme nos mains droite et gauche, ces molécules sont des images miroir l’une de l’autre. Elles peuvent être gauchères ou droitières, et leur chiralité sert de filtre pour les spins des électrons. Tout comme vous seriez éjecté d’un tapis roulant si vous arrêtiez de marcher dans la bonne direction, les électrons qui tournent dans une direction opposée à celle de la molécule sont filtrés.
Therien et son équipe avaient précédemment développé des structures appelées fils moléculaires – des molécules enchaînées les unes aux autres à la manière d’un fil, qui peuvent très facilement propager des charges électriques. Dans cette nouvelle étude, l’équipe a manipulé ces fils moléculaires et ajouté des éléments chiraux, obtenant ainsi un système qui non seulement transmet des charges à très faible résistance, mais transmet également des charges de même spin, en forçant tous les électrons à tourner dans le même sens.
“Nous avons intégré pour la première fois les fonctions de propagation de la charge et de polarisation du spin dans le même fil moléculaire”, a déclaré Therien.
Ron Naaman, professeur à l’Institut Weizmann, dont le laboratoire a construit des dispositifs basés sur le fil moléculaire.Therien, a déclaré que le transport sélectif de spin permis par ces systèmes offre un potentiel énorme pour le codage et la transmission d’informations.
Le fait que ces fils moléculaires transmettent les spins à température ambiante les rend prometteurs pour le développement de nouvelles technologies.
“La transmission sélective du spin à température ambiante sur de longues distances sans déphasage ouvre des possibilités pour une gamme plus large de dispositifs et pourrait être importante pour la science de l’information quantique”, a déclaré Therien.
“Le fait de devoir refroidir votre ordinateur avec de l’azote liquide ne serait pas très pratique”, a déclaré Beratan. “Si nous pouvons traiter efficacement les spins à température ambiante, ce serait vraiment une percée dans leur application pratique.”
Référence : “Twisted molecular wires polarize spin currents at room temperature” par Chih-Hung Ko, Qirong Zhu, Francesco Tassinari, George Bullard, Peng Zhang, David N. Beratan, Ron Naaman et Michael J. Therien, 1er février 2022, Actes de l’Académie nationale des sciences.
DOI : 10.1073/pnas.2116180119
Le financement de cette étude a été assuré par le Center for Synthesizing Quantum Coherence, (CHE-1925690), BSF-NSF (2015689), et la Minerva Foundation. C-H.K. a reçu une bourse du Graduate Program Nanoscience de l’université de Duke. G.B. a reçu une bourse John T. Chambers Scholars Award du Fitzpatrick Institute of Photonics de l’Université Duke. M.J.T. a reçu une bourse de recherche de la John Simon Guggenheim Memorial Foundation.
