Una nuova teoria degli scienziati della Rice University potrebbe dare impulso al crescente campo della spintronica, dispositivi che dipendono dallo stato di un elettrone tanto quanto dalla forza elettrica bruta richiesta per spingerlo.

Il teorico dei materiali Boris Yakobson e lo studente laureato Sunny Gupta alla Brown School of Engineering di Rice descrivono il meccanismo dietro la scissione di Rashba, un effetto visto nei composti cristallini che può influenzare gli stati di spin "su" o "giù" dei loro elettroni, analogo a "on" o "off" nei transistor comuni.

'Spin' è un termine improprio, poiché la fisica quantistica vincola gli elettroni a soli due stati. Ma questo è utile, perché dà loro il potenziale per diventare bit essenziali nei computer quantistici di prossima generazione, così come dispositivi elettronici di uso quotidiano più potenti che consumano molta meno energia.

Però, trovare i migliori materiali per leggere e scrivere questi pezzi è una sfida.

Il modello Rice caratterizza i singoli strati per prevedere le eterocoppie, i doppi strati bidimensionali, che consentono una grande divisione di Rashba. Questi renderebbero possibile controllare lo spin di un numero sufficiente di elettroni per realizzare transistor di spin a temperatura ambiente, una versione molto più avanzata dei comuni transistor che si basano sulla corrente elettrica.

"Il principio di funzionamento alla base dell'elaborazione delle informazioni si basa sul flusso di elettroni che può essere spento o acceso, " Gupta ha detto. "Ma gli elettroni hanno anche un grado di libertà di spin che può essere utilizzato per elaborare le informazioni ed è alla base della spintronica. La capacità di controllare lo spin degli elettroni ottimizzando l'effetto Rashba può portare nuove funzionalità ai dispositivi elettronici.

"Un cellulare con una memoria correlata allo spin sarebbe molto più potente e consuma molto meno energia di quanto non lo sia ora, " Egli ha detto.

Yakobson e Gupta vorrebbero eliminare i tentativi e gli errori di trovare materiali. La loro teoria, presentato in Giornale dell'American Chemical Society, mira a fare proprio questo.

"Gli spin degli elettroni sono piccoli momenti magnetici che di solito richiedono un campo magnetico per essere controllati, "Gupta ha detto. "Tuttavia, manipolare tali campi sulle piccole scale tipiche dell'informatica è molto difficile. L'effetto Rashba è il fenomeno che ci permette di controllare lo spin dell'elettrone con un campo elettrico di facile applicazione invece che con un campo magnetico".

Il gruppo di Yakobson è specializzato in calcoli a livello di atomo che prevedono le interazioni tra i materiali. In questo caso, i loro modelli li hanno aiutati a capire che il calcolo della carica effettiva di Born dei singoli componenti del materiale fornisce un mezzo per prevedere la scissione di Rashba in un doppio strato.

"La carica effettiva nata caratterizza la velocità del cambiamento di polarizzazione del legame sotto perturbazioni esterne degli atomi, " disse Gupta. "Quando due strati sono impilati insieme, cattura efficacemente il cambiamento risultante nei reticoli e nelle cariche, che determina la polarizzazione interstrato complessiva e il campo di interfaccia responsabile della scissione di Rashba".

I loro modelli hanno rivelato due eterobistrati:reticoli di MoTe ₂ |Tl ₂ O o MoTe ₂ |PtS ₂ —che sono buoni candidati per la manipolazione dell'accoppiamento spin-orbita di Rashba, che avviene all'interfaccia tra due strati tenuti insieme dalla debole forza di van der Waals. (Per i meno inclini alla chimica, Mo è molibdeno, Te è tellurio, Tl è tallio, O è ossigeno, Pt è platino e S è zolfo.)

Gupta ha notato che è noto che l'effetto Rashba si verifica in sistemi con simmetria di inversione rotta, in cui lo spin dell'elettrone è perpendicolare al suo momento, che genera un campo magnetico. La sua forza può essere controllata da una tensione esterna.

"La differenza è che il campo magnetico dovuto all'effetto Rashba dipende dalla quantità di moto dell'elettrone, il che significa che il campo magnetico sperimentato da un elettrone che si muove a sinistra e a destra è diverso, " ha detto. "Immagina un elettrone con spin che punta nella direzione z e si muove nella direzione x; sperimenterà un campo magnetico Rashba dipendente dal momento nella direzione y, che premetterà l'elettrone lungo l'asse y e cambierà il suo orientamento di spin."

Laddove un tradizionale transistor ad effetto di campo (FET) si accende o si spegne a seconda del flusso di carica attraverso una barriera con tensione di gate, i transistor di spin controllano la lunghezza della precessione di spin mediante un campo elettrico di gate. Se l'orientamento dello spin è lo stesso alla sorgente e al pozzo del transistor, il dispositivo è acceso; se l'orientamento è diverso, è spento. Poiché un transistor di spin non richiede la barriera elettronica che si trova nei FET, ha bisogno di meno potenza.

"Ciò offre ai dispositivi spintronici un enorme vantaggio rispetto ai dispositivi elettronici convenzionali basati sulla carica, " Gupta ha detto. "Gli stati di rotazione possono essere impostati rapidamente, che rende il trasferimento dei dati più veloce. E lo spin è non volatile. Le informazioni inviate utilizzando lo spin rimangono fisse anche dopo una perdita di potenza. Inoltre, è necessaria meno energia per cambiare lo spin che per generare corrente per mantenere le cariche di elettroni in un dispositivo, quindi i dispositivi spintronici consumano meno energia."

"Al chimico che è in me, " Yakobson ha detto, "la rivelazione qui che la forza di divisione della rotazione dipende dalla carica di Born è, in un modo, molto simile alla ionicità del legame rispetto all'elettronegatività degli atomi nella formula di Pauling. Questo parallelo è molto intrigante e merita ulteriori approfondimenti".