L’électron est l’une des particules fondamentales de la mother nature dont nous lisons à l’école. Son comportement contient des indices sur de nouvelles façons de stocker des données numériques.



Dans une étude publiée dans Nano Letters, des physiciens de l’Université technologique du Michigan explorent des matériaux alternatifs pour améliorer la capacité et réduire la taille des systems de stockage de données numériques. Ranjit Pati, professeur de physique à Michigan Tech, a dirigé l’étude et explique la physique derrière la nouvelle conception de nanofils de son équipe.

« Grâce à une propriété appelée spin, les électrons se comportent comme de minuscules aimants », a déclaré Pati. « Semblable à la façon dont la magnétisation d’un barreau magnétique est dipolaire, pointant du sud vers le nord, les électrons d’un matériau ont des vecteurs de moment dipolaires magnétiques qui décrivent la magnétisation du matériau. »



Lorsque ces vecteurs sont dans une orientation aléatoire, le matériau est non magnétique. Quand ils sont parallèles les uns aux autres, cela s’appelle le ferromagnétisme et les alignements antiparallèles sont un antiferromagnétisme. La technologie actuelle de stockage de données est basée sur des matériaux ferromagnétiques, où les données sont stockées dans de petits domaines ferromagnétiques. C’est pourquoi un aimant suffisamment puissant peut gâcher un téléphone moveable ou un autre stockage électronique.

Capturer des électrons en action dans un nanofil antiferromagnétique

Selon la route de l’aimantation (qu’elle pointe vers le haut ou vers le bas), les données sont enregistrées sous forme de bits (1 ou ) dans les domaines ferromagnétiques. Cependant, il existe deux goulots d’étranglement, et les deux dépendent de la proximité. Tout d’abord, rapprochez trop près un aimant externe, et son champ magnétique pourrait modifier la course des times magnétiques dans le domaine et endommager le dispositif de stockage. Et, deuxièmement, les domaines ont chacun leur propre champ magnétique, ils ne peuvent donc pas non furthermore être trop proches les uns des autres. Le défi avec les composants électroniques additionally petits, plus flexibles et as well as polyvalents est qu’ils exigent des dispositifs qui rendent additionally difficile la séparation des domaines ferromagnétiques en toute sécurité.

« Le conditionnement de données à extremely haute densité serait une tâche ardue avec les domaines de mémoire ferromagnétique », a déclaré Pati. « Les matériaux antiferromagnétiques, en revanche, sont exempts de ces problèmes. »

Sur leurs propres matériaux antiferromagnétiques ne sont pas parfaits pour les appareils électroniques, mais ils ne sont pas influencés par les champs magnétiques extérieurs. Cette capacité à résister à la manipulation magnétique a commencé à attirer davantage l’attention de la communauté de recherche et l’équipe de Pati a utilisé une théorie quantique prédictive à plusieurs corps qui prend en compte les interactions électron-électron. L’équipe a découvert que les nanofils dopés au chrome avec un noyau en germanium et une coque en silicium peuvent être un semi-conducteur antiferromagnétique.

Plusieurs groupes de recherche ont récemment démontré la manipulation d’états magnétiques individuels dans des matériaux antiferromagnétiques à l’aide de courant électrique et de lasers. Ils ont observé une dynamique de spin dans la fréquence térahertz – beaucoup as well as rapide que la fréquence utilisée dans nos dispositifs de stockage de données actuels. Cette observation a ouvert une pléthore d’intérêts de recherche sur l’antiferromagnétisme et pourrait conduire à un stockage de données additionally rapide et de additionally grande capacité.

« Dans nos travaux récents, nous avons réussi à exploiter les caractéristiques intrigantes d’un antiferromagnet dans un nanofil semi-conducteur CMOS (semi-conducteur compatible oxyde métallique) de faible dimension, sans détruire la propriété semi-conductrice du nanofil », a déclaré Pati. « Cela ouvre des possibilités pour des composants électroniques additionally petits et in addition intelligents avec une capacité de stockage et de manipulation de données as well as élevée. »

Pati ajoute que la partie la moreover excitante de la recherche pour son équipe a été de découvrir le mécanisme qui dicte l’antiferromagnétisme. Le mécanisme est appelé superexchange et il contrôle le spin des électrons et l’alignement antiparallèle qui les rend antiferromagnétiques. Dans le nanofil de l’équipe, les électrons de germanium agissent comme un intermédiaire, un échangeur, entre des atomes de chrome non connectés.

« L’interaction entre les états magnétiques des atomes de chrome est médiée par les atomes intermédiaires auxquels ils sont liés. C’est un phénomène magnétique coopératif », a déclaré Pati. « D’une manière straightforward, disons qu’il y a deux personnes A et B : elles sont éloignées l’une de l’autre et ne peuvent pas communiquer directement. Mais A a un ami C et B a un ami D. C et D sont des amis proches. Ainsi, A et B peut interagir indirectement by using C et D.  »

Une meilleure compréhension de la façon dont les électrons communiquent entre les amis atomiques permet plus d’expériences pour tester le potentiel de matériaux comme les nanofils dopés au chrome. Mieux comprendre la mother nature antiferromagnétique des nanofils de germanium-silicium est ce qui stimule le potentiel d’une électronique moreover petite, plus intelligente et de in addition grande capacité.