Encoding information onto the charge and spin state of a paramagnetic atom using MgO tunnelling spintronics

An electrical current that flows across individual atoms or molecules can generate exotic quantum-based behavior, from memristive effects to Coulomb blockade and the promotion of quantum excited states. These fundamental effects typically appear one at a time in model junctions built using atomic tip or lateral techniques. So far, however, a viable industrial pathway for such discrete state devices has been lacking. Here, we demonstrate that a commercialized device platform can serve as this industrial pathway for quantum technologies. We have studied magnetic tunnel junctions with a MgO barrier containing C atoms. The paramagnetic localized electrons due to individual C atoms generate parallel nanotransport paths across the micronic device as deduced from magnetotransport experiments. Coulomb blockade effects linked to tunnelling magnetoresistance peaks can be electrically controlled, leading to a persistent memory effect. Our results position MgO tunneling spintronics as a promising platform to industrially implement quantum technologies

Exploration des nanocanaux de transport de dispositifs spintroniques pour l’encodage de l'information et la récolte énergétique

Ever since spintronics revolutionized information storage, it has found cross-disciplinary applications in sensing, energy harvesting, the Internet of things, neuromorphic computing, and many more. To design and develop novel functionalities in spintronic devices, it is crucial to understand the nano-transport paths that occurs across these devices. In this thesis, the spintronic nano-transport channels across inorganic (MgO) and organic (CoPc) magnetic tunnel junctions are explored. We demonstrate new experimental techniques using synchrotron X-rays to understand the role of oxygen defects in MgO barrier in the operation of an MTJ. Here, multifunctional spintronic devices for encoding information and energy harvesting are highlighted. Backed by theory and experiment, we establish how the quantum excited state of a CoPc molecular spin chain can be used to encode information in a solid-state device. Following this, we design a spintronic nanoengine using Co paramagnetic centers, and record room temperature power output, thereby bridging molecular spintronics and quantum thermodynamics.Depuis que la spintronique a révolutionné le stockage de l'information, elle a trouvé des applications interdisciplinaires dans la détection, la collecte d'énergie, l'Internet des objets, l'informatique neuromorphique, et bien d'autres encore. Pour concevoir et développer de nouvelles fonctionnalités dans les dispositifs spintroniques, il est crucial de comprendre les nanocanaux de transport au travers de ceux-ci. Dans cette thèse, les canaux de nanotransport spintronique à travers des jonctions magnétiques inorganiques (MgO) et organiques (CoPc) sont explorés. Nous faisons la démonstration de nouvelles techniques expérimentales utilisant les rayons X synchrotron pour comprendre le rôle des défauts de l'oxygène dans la barrière de MgO dans le fonctionnement d'un MTJ. Ici, des dispositifs spintroniques multifonctionnels pour le codage de l'information et la collecte d'énergie sont mis en évidence. En s'appuyant sur la théorie et l'expérience, nous demonstrons que l’etat quantique excite d’une chaine de spin moleculaire peut etre utilisee pour encoder de l’information un dispositif à l'état solide. Enfin, nous concevons un nano-moteur spintronique utilisant des centres paramagnétiques Co qui développe une forte puissances électrique à température ambiante, ce qui réalise un pont entre la spintronique moléculaire et la thermodynamique quantique

Exploration des nanocanaux de transport de dispositifs spintroniques pour l’encodage de l'information et la récolte énergétique

Ever since spintronics revolutionized information storage, it has found cross-disciplinary applications in sensing, energy harvesting, the Internet of things, neuromorphic computing, and many more. To design and develop novel functionalities in spintronic devices, it is crucial to understand the nano-transport paths that occur across these devices. In this thesis, the spintronic nano-transport channels across inorganic (MgO) and organic (CoPc) magnetic tunnel junctions are explored. We demonstrate new experimental techniques using synchrotron X-rays to understand the role of oxygen defects in the MgO barrier in the operation of an MTJ. Here, multifunctional spintronic devices for encoding information and energy harvesting are highlighted. Backed by theory and experiment, we establish how the quantum excited state of a CoPc molecular spin chain can be used to encode information in a solid-state device. Following this, we design a spintronic nano engine using Co paramagnetic centres, and record room temperature power output, thereby bridging molecular spintronics and quantum thermodynamics.Depuis que la spintronique a révolutionné le stockage de l'information, elle a trouvé des applications interdisciplinaires dans la détection, la collecte d'énergie, l'Internet des objets, l'informatique neuromorphique, et bien d'autres encore. Pour concevoir et développer de nouvelles fonctionnalités dans les dispositifs spintroniques, il est crucial de comprendre les nanocanaux de transport au travers de ceux-ci. Dans cette thèse, les canaux de nanotransport spintronique à travers des jonctions magnétiques inorganiques (MgO) et organiques (CoPc) sont explorés. Nous faisons la démonstration de nouvelles techniques expérimentales utilisant les rayons X synchrotron pour comprendre le rôle des défauts de l'oxygène dans la barrière de MgO dans le fonctionnement d'un MTJ. Ici, des dispositifs spintroniques multifonctionnels pour le codage de l'information et la collecte d'énergie sont mis en évidence. En s'appuyant sur la théorie et l'expérience, nous demonstrons que l’etat quantique excite d’une chaine de spin moleculaire peut etre utilisee pour encoder de l’information un dispositif à l'état solide.Enfin, nous concevons un nano-moteur spintronique utilisant des centres paramagnétiques Co qui développe une forte puissances électrique à température ambiante, ce qui réalise un pont entre la spintronique moléculaire et la thermodynamique quantique

Exploration des nanocanaux de transport de dispositifs spintroniques pour l’encodage de l'information et la récolte énergétique

Depuis que la spintronique a révolutionné le stockage de l'information, elle a trouvé des applications interdisciplinaires dans la détection, la collecte d'énergie, l'Internet des objets, l'informatique neuromorphique, et bien d'autres encore. Pour concevoir et développer de nouvelles fonctionnalités dans les dispositifs spintroniques, il est crucial de comprendre les nanocanaux de transport au travers de ceux-ci. Dans cette thèse, les canaux de nanotransport spintronique à travers des jonctions magnétiques inorganiques (MgO) et organiques (CoPc) sont explorés. Nous faisons la démonstration de nouvelles techniques expérimentales utilisant les rayons X synchrotron pour comprendre le rôle des défauts de l'oxygène dans la barrière de MgO dans le fonctionnement d'un MTJ. Ici, des dispositifs spintroniques multifonctionnels pour le codage de l'information et la collecte d'énergie sont mis en évidence. En s'appuyant sur la théorie et l'expérience, nous demonstrons que l’etat quantique excite d’une chaine de spin moleculaire peut etre utilisee pour encoder de l’information un dispositif à l'état solide. Enfin, nous concevons un nano-moteur spintronique utilisant des centres paramagnétiques Co qui développe une forte puissances électrique à température ambiante, ce qui réalise un pont entre la spintronique moléculaire et la thermodynamique quantique.Ever since spintronics revolutionized information storage, it has found cross-disciplinary applications in sensing, energy harvesting, the Internet of things, neuromorphic computing, and many more. To design and develop novel functionalities in spintronic devices, it is crucial to understand the nano-transport paths that occurs across these devices. In this thesis, the spintronic nano-transport channels across inorganic (MgO) and organic (CoPc) magnetic tunnel junctions are explored. We demonstrate new experimental techniques using synchrotron X-rays to understand the role of oxygen defects in MgO barrier in the operation of an MTJ. Here, multifunctional spintronic devices for encoding information and energy harvesting are highlighted. Backed by theory and experiment, we establish how the quantum excited state of a CoPc molecular spin chain can be used to encode information in a solid-state device. Following this, we design a spintronic nanoengine using Co paramagnetic centers, and record room temperature power output, thereby bridging molecular spintronics and quantum thermodynamics

Quantum advantage in a spintronic engine with coherently coupled ultrafast strokes using molecular superexchange

Recent theory and experiments have showcased how to harness quantum mechanics to assemble heat/information engines with efficiencies that surpass the classical Carnot limit. So far, implementing work-producing quantum resources has required atomic engines driven by external laser and microwave energy sources We propose a spin electronic implementation that operates autonomously. Our concept heuristically deploys several known quantum resources upon placing a quantum-entangled chain of spin qubits formed by the Co centers of phthalocyanine (Pc) molecules between electron-spin selecting Fe/C60 interfaces. Density functional calculations reveal that transport fluctuation strokes across the interfaces can stabilize spin coherence on the Co paramagnetic centers, which host spin swap engine strokes. Across solid-state vertical molecular nanojunctions, we measure large enduring dc current generation, sizeable output power above room temperature, and two quantum thermodynamical signatures. The Fe/C60 interface's record 89% spin polarization also enables a spintronic feedback and control over the flow and direction of charge current. Beyond these first results, further research into spintronic quantum engines, and retooling the spintronic-based information technology chain7, could help accelerate the transition to clean energy.Comment:

Encoding Information on the Excited State of a Molecular Spin Chain

International audienceThe quantum states of nano-objects can drive electrical transport properties across lateral and local-probe junctions. This raises the prospect, in a solid-state device, of electrically encoding information at the quantum level using spinflip excitations between electron spins. However, this electronic state has no defined magnetic orientation and is short-lived. Using a novel vertical nanojunction process, these limitations are overcome and this steady-state capability is experimentally demonstrated in solid-state spintronic devices. The excited quantum state of a spin chain formed by Co phthalocyanine molecules coupled to a ferromagnetic electrode constitutes a distinct magnetic unit endowed with a coercive field. This generates a specific steady-state magnetoresistance trace that is tied to the spin-flip conductance channel, and is opposite in sign to the ground state magnetoresistance term, as expected from spin excitation transition rules. The experimental 5.9 meV thermal energy barrier between the ground and excited spin states is confirmed by density functional theory, in line with macrospin phenomenological modeling of magnetotransport results. This low-voltage control over a spin chain's quantum state and spintronic contribution lay a path for transmitting spin wave-encoded information across molecular layers in devices. It should also stimulate quantum prospects for the antiferromagnetic spintronics and oxides electronics communities