Les phonons chiraux créent un courant de spin sans avoir besoin de matériaux magnétiques

Des chercheurs de l’Université d’État de Caroline du Nord et de l’Université de Caroline du Nord à Chapel Hill ont utilisé des phonons chiraux pour convertir la chaleur perdue en informations de spin – sans avoir besoin de matériaux magnétiques. Cette découverte pourrait conduire à de nouvelles classes de dispositifs spintroniques moins coûteux et économes en énergie, destinés à être utilisés dans des applications allant de la mémoire informatique aux réseaux électriques.

Les appareils spintroniques sont des appareils électroniques qui exploitent le spin d'un électron, plutôt que sa charge, pour créer du courant utilisé pour le stockage de données, la communication et l'informatique. Les dispositifs caloritroniques de spin – ainsi appelés parce qu’ils utilisent l’énergie thermique pour créer un courant de spin – sont prometteurs car ils peuvent convertir la chaleur perdue en informations de spin, ce qui les rend extrêmement économes en énergie. Cependant, les dispositifs caloritroniques de spin actuels doivent contenir des matériaux magnétiques afin de créer et de contrôler le spin de l'électron.

"Nous avons utilisé des phonons chiraux pour créer un courant de spin à température ambiante sans avoir besoin de matériaux magnétiques", explique Dali Sun, professeur agrégé de physique et membre du laboratoire d'électronique organique et carbonée (ORaCEL) de l'université d'État de Caroline du Nord.

"En appliquant un gradient thermique à un matériau contenant des phonons chiraux, vous pouvez diriger leur moment cinétique et créer et contrôler un courant de spin." déclare Jun Liu, professeur agrégé de génie mécanique et aérospatial à NC State et membre d'ORaCEL.

Liu et Sun sont tous deux auteurs co-correspondants de la recherche, qui apparaît dans Nature Materials.

Les phonons chiraux sont des groupes d’atomes qui se déplacent dans une direction circulaire lorsqu’ils sont excités par une source d’énergie – dans ce cas, la chaleur. Lorsque les phonons se déplacent à travers un matériau, ils propagent ce mouvement circulaire, ou moment cinétique, à travers celui-ci. Le moment cinétique sert de source de spin et la chiralité dicte la direction du spin.

"Les matériaux chiraux sont des matériaux qui ne peuvent pas être superposés à leur image miroir", explique Sun. « Pensez à vos mains droite et gauche : elles sont chirales. Vous ne pouvez pas mettre un gant pour gaucher sur une main droite, ou vice versa. Cette « maniabilité » est ce qui nous permet de contrôler la direction de rotation, ce qui est important si vous souhaitez utiliser ces appareils pour le stockage de la mémoire. »

Les chercheurs ont démontré des courants de spin générés par des phonons chiraux dans une pérovskite hybride organique-inorganique en couches bidimensionnelles en utilisant un gradient thermique pour introduire de la chaleur dans le système.

"Un gradient est nécessaire car la différence de température dans le matériau - du chaud au froid - entraîne le mouvement des phonons chiraux à travers celui-ci", explique Liu. "Le gradient thermique nous permet également d'utiliser la chaleur perdue captée pour générer un courant de spin."

Les chercheurs espèrent que ces travaux aboutiront à des dispositifs spintroniques moins chers à produire et pouvant être utilisés dans une plus grande variété d’applications.

"Éliminer le besoin de magnétisme dans ces appareils signifie que vous ouvrez grand la porte en termes d'accès à des matériaux potentiels", explique Liu. « Et cela signifie également une rentabilité accrue. »

"L'utilisation de la chaleur perdue plutôt que des signaux électriques pour générer un courant de rotation rend le système économe en énergie et les appareils peuvent fonctionner à température ambiante", explique Sun. "Cela pourrait conduire à une variété de dispositifs spintroniques beaucoup plus large que celle dont nous disposons actuellement."

La recherche a été soutenue par la National Science Foundation et le ministère américain de l'Énergie. Wei You, professeur de chimie à l'Université de Caroline du Nord à Chapel Hill et membre d'ORaCEL, est également co-auteur correspondant de l'étude.

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Note aux éditeurs :Un résumé suit.

«Effet Spin Seebeck activé par un phonon chiral»

DOI : 10.1038/s41563-023-01473-9

Auteurs : Kyunghoon Kim, Eric Vetter, Cong Yang, Ziqi Wang, Rui Sun, Andrew Comstock, Dali Sun, Jun Liu, Université d'État de Caroline du Nord ; Liang Yan, Wei You, Université de Caroline du Nord à Chapel Hill ; Yu Yang, Xiao Li , Jun Zhou, Lifa Zhang, Nanjing Normal University, Nanjing, ChinePublié : 13 février 2023 dans Nature Materials