Credito:MIPT
Un team di ricercatori dell'Accademia Russa delle Scienze (RAS), in collaborazione con un collega del RIKEN (Institute for Physical and Chemical Research in Japan), ha fornito la prova teorica dell'esistenza di una nuova classe di materiali, semimetalli della valle di spin. Il loro articolo è stato pubblicato sulla rivista Lettere di revisione fisica . La scoperta ha potenziali applicazioni nell'elettronica impiantabile e nei dispositivi basati sul grafene, nanotubi, e una serie di altri materiali promettenti.
Il meccanismo microscopico proposto dai ricercatori differisce significativamente dal solito modello a metà metallo basato su una forte interazione elettrone-elettrone. Ciò potrebbe dare origine a una nuova direzione nella ricerca di semimetalli "non metallici", cioè., quelli che non contengono atomi di metalli di transizione come il nichel, manganese e lantanio. Tali materiali sarebbero utili in dispositivi e sistemi impiantabili. Gli autori usano il termine "spin-valley-tronics" per riferirsi a questa possibile alternativa all'elettronica tradizionale.
Man mano che l'elettronica diventa più piccola e più densamente organizzata, è molto difficile continuare ad aumentare il numero di transistor o la frequenza di clock del microprocessore. Quindi i ricercatori di tutto il mondo stanno esplorando nuove possibilità. Uno di questi è la spintronica, che fa uso di spin di elettroni e ha già alcune importanti applicazioni pratiche. Verso la fine del secolo, l'uso di giganteschi materiali a magnetoresistenza nei sensori di campo magnetico (utilizzati per leggere i dati nei dischi rigidi) ha consentito l'archiviazione di quantità molto maggiori di dati su HDD.
Si ritiene che i mezzi metalli abbiano un grande potenziale nella spintronica. Sono stati inizialmente previsti sulla base di simulazioni al computer e successivamente hanno dimostrato di esistere sperimentalmente. In un materiale semimetallico, elettroni di un solo orientamento di spin, ad es. spin up:partecipa alla corrente elettrica. L'energia degli elettroni spin-down è troppo alta, e quindi non possono trasportare corrente di carica. Ciò significa che quando la corrente passa attraverso un mezzo metallo, viene generata una corrente polarizzata di spin, anche. Ma la spin-valle-tronica cerca di manipolare non solo una popolazione di elettroni spin-polarizzati nella corrente, ma anche il cosiddetto indice di valle.
Il termine "valle" è preso in prestito dalla fisica dei semiconduttori. Matematicamente, l'energia di eccitazione in un solido è espressa da E (k, n), dove k è la quantità di moto dell'elettrone e n è l'indice di zona, cioè., una proprietà quantistica discreta dello stato dell'elettrone. Questa funzione può sembrare piuttosto strana, e nel caso di più minimi con energie di eccitazione comparabili, ci sono più "valli". Essenzialmente, gli elettroni i cui stati corrispondono a una delle valli non interagiscono con gli elettroni di un'altra valle. Un tale insieme di elettroni può trasportare non solo spin e carica, ma anche un valore distinto chiamato indice di valle.
Fig. 1. Il termine “spin” si riferisce al momento angolare intrinseco di una particella. Lo spin di una particella ha sia un modulo che una direzione. Nel caso dell'elettrone, la grandezza è 1/2 volte la costante di Planck, e la direzione è su o giù. Credito:10.1103/PhysRevLett.119.107601
L'indice di valle può essere utilizzato per trasferire informazioni con l'aiuto delle correnti di valle, a questo proposito, l'indice di valle è abbastanza simile allo spin. La ricerca in questa direzione è attualmente condotta da diversi gruppi. I ricercatori hanno ora dimostrato teoricamente l'esistenza di una nuova classe di materiali da utilizzare nella spin-valley-tronics.
I semimetalli a disposizione dei ricercatori contengono tutti atomi di metalli di transizione:nichel, manganese, lantanio, ecc. I ricercatori hanno dimostrato un meccanismo teorico per ottenere la semimetallicità che non richiede atomi di metalli di transizione. Questo ha una serie di applicazioni utili, anche nei dispositivi impiantabili.
I fisici suggeriscono che tali semimetalli non metallici siano ottenuti da una classe speciale di materiali dielettrici chiamati isolanti d'onda di carica o densità di spin. Il termine si riferisce a uno stato con regioni microscopiche periodiche con carica media (spin) diversa da zero nel materiale. I teorici descrivono tali sistemi come un condensato quantistico di coppie elettrone-lacuna. Per formare una coppia di questo tipo, sono necessarie due valli:una fornisce gli elettroni, l'altro fornisce fori. È la presenza di due valli nel sistema originario che dà origine alla semimetallicità spin-valle. Nella fisica dei semiconduttori, un "buco" è una quasiparticella che si ritiene abbia una carica positiva.
Fig.2. Nella figura, l'energia dell'elettrone e della lacuna viene tracciata rispetto alla quantità di moto. (Le quattro curve nere corrispondono a due proiezioni di spin dell'elettrone e due proiezioni di spin della lacuna.) La curva spessa corrisponde a stati di elettroni in grado di condurre una corrente elettrica (formando una superficie di Fermi). A seconda dell'orientamento reciproco degli spin degli elettroni (frecce blu) e dei fori (frecce rosse) sulla superficie di Fermi, il sistema è un mezzo metallo ordinario (c) o un mezzo metallo spin-valle (d). Credito:10.1103/PhysRevLett.119.107601
Affinché un materiale con un'onda di densità diventi un mezzo metallo, richiede un trattamento speciale noto come doping. Ciò comporta l'incorporazione di elettroni o lacune nell'isolante. Aleksandr Rozhkov, un coautore del documento e un ricercatore presso il Dipartimento di Problemi di Fisica ed Energetica del MIPT, spiega che un sistema può essere drogato sottoponendolo a un campo elettrico esterno o a modificazioni chimiche della massa o della superficie:"Per ogni sistema, un tipo adatto di atomo drogante, come azoto, fosforo, o qualche altro elemento, deve essere selezionato. Sostituendo gli atomi del sistema ospite con impurità che donano o accettano elettroni di conduzione, viene indotto un cambiamento nelle proprietà del materiale originale."
La possibilità di drogare materiali con onde di densità è stata discussa a lungo in letteratura. I sistemi trattati dai ricercatori hanno varie fasi, compresi spazialmente disomogenei, ad esempio, stati con la cosiddetta separazione di fase elettronica, e le fasi con pareti di dominio, spesso chiamato "strisce". Ora, i ricercatori hanno fatto l'inaspettata scoperta di due nuove fasi:la semimetallicità regolare e la valle di spin.
Artem Sboychakov, uno degli autori del paper e ricercatore senior presso ITAE RAS, disse, "In un modo, la nostra scoperta si è rivelata una sorpresa anche per noi stessi. Il modello fisico che, abbiamo trovato, ha una fase semimetallica di spin-valle è classica:è stata studiata per decenni. Ora tocca agli sperimentatori. Non mancano i materiali adeguatamente descritti dal modello di cui ci siamo occupati. Sono quindi convinto che alla fine si scoprirà la fase che avevamo previsto, o in un materiale che è oggi disponibile o in uno che deve ancora essere sintetizzato."
