Valléetronique, un pas supplémentaire vers l’applicabilité

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Des équipes du Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) et de l’Université de Californie à Berkeley menées par le Pr. Xiang Zhang ont franchi un cap important dans la constitution d’applications pratiques pour la valléetronique, ce nouveau type d’électronique qui devrait mener à l’élaboration de systèmes logiques informatiques et de puces de stockage de données plus robustes et moins consommateurs d’énergie.

A l’instar de la spintronique, qui utilise les propriétés de spin des électrons pour encoder l’information (et dépasser les limites fondamentales de l’électronique), la valléetronique est une méthodologie alternative de dépassement de ces limitations qui permet de contrôler l’impulsion des électrons pour encoder de l’information. Dans certains matériaux semi-conducteurs, la distribution de l’énergie des électrons dans la couche de conduction en fonction de leur impulsion présente une forme qui fait apparaître des vallées, véritables puits d’énergie dans lesquels les électrons viennent se concentrer. Les dichalcogénures à métaux de transition (TMDC) fournissent ainsi des semi-conducteurs présentant deux telles vallées très distinctes, les rendant particulièrement intéressants pour la valléetronique. Encoder une information binaire par le biais de ces deux vallées exige de pouvoir contrôler leur profondeur, orientant ainsi les électrons vers celle d’énergie minimale.

Le développement de ces dispositifs valléetroniques était jusqu’alors rendu délicat par la difficulté d’un contrôle électrique poussé de ces index de vallée. Cette modification de la profondeur des vallées peut être engendrée par l’application d’un champ magnétique, mais l’intensité du champ nécessaire est bien trop importante pour envisager des applications grand public. Une autre possibilité consiste à utiliser des impulsions laser présentant une polarisation particulière. L’avancée de l’équipe menée par X. Zhang repose sur la possibilité prouvée expérimentalement de générer et de contrôler électriquement ce degré de liberté offert par les vallées, permettant de piéger à la demande les électrons dans l’une ou l’autre, ouvrant ainsi la voie à de véritables portes logiques valléetroniques.

Les chercheurs de Berkeley ont construit leur approche en couplant un semi-conducteur ferromagnétique avec une monocouche de TMDC. Une injection de spin électrique dans le semi-conducteur ferromagnétique a permis de localiser les porteurs de charge dans l’une ou l’autre des vallées. C’est en manipulant les polarisations de spin des porteurs injectés et en attachant le spin et la vallée dans la monocouche, que l’équipe a été en mesure d’exciter électriquement et de confiner lesdits porteurs de charge dans l’une plus particulièrement des deux vallées. Cela permet ainsi d’envisager des opérations logiques similaires à celles que l’on utilise en électronique conventionnelle.

Outre cette capacité à contrôler électriquement la localisation des électrons vers l’une ou l’autre des vallées, cette technique permet également de récupérer cette information par électroluminescence, les deux vallées émettant des lumières présentant des polarisations circulaires différentes.

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Monocouche TMDC couplée avec un hôte semi-conducteur ferromagnétique. La polarisation en vallée peut être directement déterminée par l’hélicité de l’électroluminescence émise (flèche orange) comme résultat de l’injection électrique dans les trous polarisés en spin de la monocouche TMDC. La flèche noire représente la direction du champ magnétique appliqué.
Berkeley Lab

Il est donc désormais possible d’imaginer l’émergence d’un nouveau type d’électronique qui utiliserait les trois degrés de liberté des électrons (charge, spin et vallée), leur combinaison permettant d’encoder chaque électron avec huit valeurs binaires au lieu des deux habituelles. Cela permettrait non seulement une capacité de traitement et de stockage accrue des puces, mais également une consommation énergétique réduite.


Source : Yu Ye, Jun Xiao, Hailong Wang, Ziliang Ye, Hanyu Zhu, Mervin Zhao, Yuan Wang, Jianhua Zhao, Xiaobo Yin & Xiang Zhang, ‘Electrical generation and control of the valley carriers in a monolayer transition metal dichalcogenide’, Nature Nanotechnology Online, 4 avril 2016.

Tous nos remerciements pour la relecture et les éclaircissements apportés par le Dr. Nicolas Bachelard du NSF Nanoscale Science and Engineering Center (NSEC) de l’UC Berkeley.

Rédacteur :
- Olivier Tomat, Expert Technique International, San Francisco, olivier.tomat@ambascience-usa.org ;
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