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Un circuit spintronique en plastique

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Des physiciens de l'université de l'Utah viennent de réaliser un circuit spintronique basé sur un plastique semi-conducteur semblable à celui utilisé dans les diodes électroluminescentes organiques (Oled). Une première qui ouvre la voie à une électronique encore plus miniaturisée.

Christoph Boehme et John Lupton en train d'utiliser un laser pour bombarder un échantillon de MEH-PPV. Crédit : Nick Borys

L'électronique repose sur le contrôle des courants dans les matériaux, en particulier des charges dans les semi-conducteurs. Mais les particules chargées composant les atomes possèdent une autre caractéristique proprement quantique : le spin.

On peut en donner une analogie classique - mais à ne pas prendre au pied de la lettre. Si l'on considère l'électron comme une petite sphère uniformément chargée, il est possible de retrouver certaines formules de l'électromagnétisme en liaison avec l'émission de lumière des électrons. Une idée vient alors naturellement à l'esprit, celle de considérer un mouvement de rotation sur lui-même de l'électron, ce qui le dote d'un moment cinétique. L'idée ne résiste pas à l'examen en physique classique, car l'électron devrait alors tourner sur lui-même plus vite que la lumière. En mécanique quantique, en revanche, on découvre que l'électron doit bien être doté d'un moment cinétique propre baptisé spin (de to spin, tourner, en anglais), et, de plus, que celui-ci, pour exister, n'impose pas de recourir à l'image d'une boule en rotation. Cette analogie peut toutefois rester exploitable à condition de considérer un moment cinétique quantifié ne pouvant exister que sous deux états, spin haut et spin bas, correspondant à une rotation selon deux sens inversés.

Un électron unique pour mémoriser un bit

Ces dernières années, une nouvelle branche de l'électronique a été créée, notamment grâce aux travaux du prix Nobel français Albert Fert. Il s'agit de la spintronique, dans laquelle le mouvement des électrons est contrôlé non pas grâce à leur charge mais grâce à leur spin. Cette avancée a déjà permis de miniaturiser les mémoires magnétiques et devrait conduire à une miniaturisation plus poussée encore des composants électroniques, notamment des transistors.

Jusqu'à présent, l'information binaire traitée par les ordinateurs est matérialisée par la présence ou l'absence de charges dans des semi-conducteurs, qui doivent de ce fait comporter des centaines de milliers d'atomes pour stocker ces charges. Dans un circuit spintronique, un seul électron suffit à stocker une information binaire. Le gain potentiel pour la miniaturisation est évident.

Les Led, ou diodes électroluminescentes, bien connues bien pour leur utilisation dans les dispositifs d'affichages, sont aussi des semi-conducteurs. Elles sont réalisées, comme les transistors, en matériaux inorganiques (arséniure de gallium, silicium, zinc). Récemment sont apparues des versions utilisant des polymères organiques - les Oled -. Moins coûteuses à fabriquer, elles sont cependant moins efficaces que les Led, qui convertissent de 43 à 64 % de l'électricité en lumière. Les Oled ne permettent pas de telles performances. Certaines estimations théoriques laissaient entendre une limite de 25%.

Une Oled en MEH-PPV

Christoph Boehme et John Lupton, deux chercheurs de l'Université de l'Utah, ont décidé d'étudier ce problème d'un peu plus près, avec l'idée de progresser dans le domaine des semi-conducteurs organiques appliqués à la spintronique. Ils viennent de publier les résultats de leurs travaux dans le numéro du 17 août de Nature Materials.

Ils ont considéré une Oled faite d'un plastique semi-conducteur, plus précisément un polymère de MEH-PPV (Poly(2-methoxy-5-(2'-ethyl-hexyloxy)-14-phenylene vinylene) ). En la bombardant pendant quelques nanosecondes avec des micro-ondes pour tenter d'aligner les spins des paires d'électrons-trous dans le semi-conducteur, ils ont effectivement produit des ondes de spins dont l'orientation oscille.

Malheureusement, même si cela démontre que la spintronique est réalisable avec des semi-conducteurs organiques, les Oled utilisées par l'équipe n'ont produit que peu de lumière. L'étude du mécanisme d'émission reste en accord avec les prévisions pessimistes d'une limite de 25% dans le taux de conversion de l'électricité.

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