Un matériau quantique unique pourrait permettre des ordinateurs compacts ultra-puissants

Les informations dans les ordinateurs sont transmises à travers des semi-conducteurs par le mouvement des électrons et stockées dans la direction du spin des électrons dans les matériaux magnétiques. Pour réduire les dispositifs tout en améliorant leurs performances – un objectif d’un domaine émergent appelé électronique de spin (“spintronique”) – les chercheurs recherchent des matériaux uniques qui combinent les deux propriétés quantiques. Écrivant dans Nature Materials, une équipe de chimistes et de physiciens de Columbia découvre un lien étroit entre le transport d’électrons et le magnétisme dans un matériau appelé bromure de sulfure de chrome (CrSBr).

Créé dans le laboratoire du chimiste Xavier Roy, CrSBr est un cristal dit de van der Waals qui peut être décortiqué en couches 2D empilables de quelques atomes d’épaisseur. Contrairement aux matériaux apparentés qui sont rapidement détruits par l’oxygène et l’eau, les cristaux de CrSBr sont stables dans les conditions ambiantes. Ces cristaux conservent également leurs propriétés magnétiques à la température relativement élevée de -280F, évitant le besoin d’hélium liquide coûteux refroidi à une température de -450F,

“CrSBr est infiniment plus facile à utiliser que d’autres aimants 2D, ce qui nous permet de fabriquer de nouveaux dispositifs et de tester leurs propriétés”, a déclaré Evan Telford, postdoctorant au laboratoire Roy qui a obtenu un doctorat en physique de Columbia en 2020. L’année dernière, ses collègues Nathan Wilson et Xiaodong Xu de l’Université de Washington et Xiaoyang Zhu de Columbia ont trouvé un lien entre le magnétisme et la façon dont le CrSBr réagit à la lumière. Dans les travaux en cours, Telford a dirigé l’effort d’exploration de ses propriétés électroniques.

L’équipe a utilisé un champ électrique pour étudier les couches de CrSBr à travers différentes densités d’électrons, champs magnétiques et températures – différents paramètres qui peuvent être ajustés pour produire différents effets dans un matériau. Au fur et à mesure que les propriétés électroniques du CrSBr changeaient, son magnétisme changeait également.

“Les semi-conducteurs ont des propriétés électroniques accordables. Les aimants ont des configurations de spin accordables. Dans CrSBr, ces deux boutons sont combinés”, a déclaré Roy. “Cela rend CrSBr attrayant à la fois pour la recherche fondamentale et pour les applications potentielles de spintronique.”

Le magnétisme est une propriété difficile à mesurer directement, en particulier lorsque la taille du matériau rétrécit, explique Telford, mais il est facile de mesurer comment les électrons se déplacent avec un paramètre appelé résistance. Dans CrSBr, la résistance peut servir de proxy pour des états magnétiques autrement non observables. “C’est très puissant”, a déclaré Roy, d’autant plus que les chercheurs envisagent un jour de construire des puces à partir de tels aimants 2D, qui pourraient être utilisées pour l’informatique quantique et pour stocker d’énormes quantités de données dans un petit espace.

Le lien entre les propriétés électroniques et magnétiques du matériau était dû à des défauts dans les couches – pour l’équipe, un coup de chance, a déclaré Telford. “Les gens veulent généralement le matériau” le plus propre “possible. Nos cristaux avaient des défauts, mais sans eux, nous n’aurions pas observé ce couplage”, a-t-il déclaré.

À partir de là, le laboratoire Roy expérimente des moyens de faire pousser des cristaux de van der Waals pelables avec des défauts délibérés, afin d’améliorer la capacité d’affiner les propriétés du matériau. Ils étudient également si différentes combinaisons d’éléments pourraient fonctionner à des températures plus élevées tout en conservant ces précieuses propriétés combinées.