Des scientifiques confirment un phénomène physique révolutionnaire en spintronique

Une étude récente a identifié le "phénomène Hall orbital", un phénomène qui pourrait améliorer considérablement le stockage des données dans les futurs dispositifs informatiques. Cette découverte, qui implique la génération d'électricité par le mouvement orbital des électrons, offre des avancées potentielles dans le domaine de la spintronique, conduisant à des matériaux magnétiques plus efficaces, plus rapides et plus fiables. Crédit : SciTechDaily.com

Dans une nouvelle avancée, des chercheurs ont utilisé une nouvelle technique pour confirmer un phénomène physique jusqu'alors non détecté, qui pourrait être utilisé pour améliorer le stockage des données dans la prochaine génération de dispositifs informatiques.

Les mémoires spintroniques, utilisées dans les ordinateurs avancés et les satellites, exploitent les états magnétiques produits par le moment cinétique intrinsèque des électrons pour le stockage et la récupération des données. En fonction de son mouvement physique, le spin d'un électron produit un courant magnétique. Connu sous le nom d'"effet Hall de spin", cela a des applications clés pour les matériaux magnétiques dans de nombreux domaines différents, allant de l'électronique basse consommation à la mécanique quantique fondamentale.

Plus récemment, les scientifiques ont découvert que les électrons sont également capables de générer de l'électricité par un deuxième type de mouvement : le moment cinétique orbital, similaire à la façon dont la Terre tourne autour du soleil. Cela est connu sous le nom d'"effet Hall orbital", a déclaré Roland Kawakami, co-auteur de l'étude et professeur de physique à l'Université d'État de l'Ohio.

Les théoriciens avaient prédit qu'en utilisant des métaux de transition légers - des matériaux ayant de faibles courants Hall de spin - les courants magnétiques générés par l'effet Hall orbital seraient plus faciles à repérer en coulant à côté d'eux. Jusqu'à présent, détecter directement une telle chose a été un défi, mais l'étude, menée par Igor Lyalin, étudiant diplômé en physique, et publiée dans la revue Physical Review Letters, a montré une méthode pour observer l'effet.

« Au fil des décennies, il y a eu une découverte continue de divers effets Hall », a déclaré Kawakami. « Mais l'idée de ces courants orbitaux est vraiment nouvelle. La difficulté est qu'ils sont mélangés avec les courants de spin dans les métaux lourds typiques et il est difficile de les distinguer. »

À la place, l'équipe de Kawakami a démontré l'effet Hall orbital en réfléchissant de la lumière polarisée, dans ce cas un laser, sur divers films minces du métal léger chrome afin de sonder les atomes du métal pour une éventuelle accumulation de moment cinétique orbital. Après près d'un an de mesures minutieuses, les chercheurs ont pu détecter un signal magnéto-optique clair qui montrait que les électrons rassemblés à une extrémité du film présentaient des caractéristiques fortes de l'effet Hall orbital.

Cette détection réussie pourrait avoir de grandes conséquences pour les futures applications spintroniques, a déclaré Kawakami.

« Le concept de la spintronique existe depuis environ 25 ans, et bien qu'il ait été très bon pour diverses applications de mémoire, les gens essayent maintenant d'aller plus loin », a-t-il déclaré. « Maintenant, l'un des plus grands objectifs du domaine est de réduire la quantité d'énergie consommée, car c'est le facteur limitant pour augmenter les performances. »

Diminuer la quantité totale d'énergie nécessaire au bon fonctionnement des futurs matériaux magnétiques pourrait potentiellement permettre une consommation d'énergie plus faible, des vitesses plus élevées et une fiabilité accrue, en plus d'aider à prolonger la durée de vie de la technologie. L'utilisation des courants orbitaux au lieu des courants de spin pourrait potentiellement économiser du temps et de l'argent à long terme, a déclaré Kawakami.

Remarquant que cette recherche ouvre la voie à une meilleure compréhension de la manière dont ces étranges phénomènes physiques se produisent dans d'autres types de métaux, les chercheurs affirment vouloir continuer à explorer la relation complexe entre les effets Hall de spin et les effets Hall orbitaux.

Référence : "Magneto-Optical Detection of the Orbital Hall Effect in Chromium" d'Igor Lyalin, Sanaz Alikhah, Marco Berritta, Peter M. Oppeneer et Roland K. Kawakami, 11 octobre 2023, Physical Review Letters. DOI : 10.1103/PhysRevLett.131.156702

Les co-auteurs étaient Sanaz Alikhah et Peter M. Oppeneer de l'Université d'Uppsala et Marco Berritta à la fois de l'Université d'Uppsala et de l'Université d'Exeter. Ce travail a été soutenu par la National Science Foundation, le Conseil suédois de la recherche, l'Infrastructure nationale suédoise pour le calcul et la Fondation K. et A. Wallenberg.