Uno schema dell'esperimento di ottica ultraveloce. Un impulso laser iniziale allinea uno spin di elettroni lungo il percorso del raggio; i precessi di spin dell'elettrone in un campo magnetico esterno; un altro impulso laser ritardato rileva la precessione di spin mediante rotazione del suo piano di polarizzazione (Nord o Up, Sud o Giù). In alto a sinistra:la struttura materiale delle perovskiti ibride. In basso a destra:i dati tipici mostrano le oscillazioni indotte dalla precessione di spin. Credito:Patrick Odenthal
Un team guidato dall'Università dello Utah ha scoperto che una classe di "materiali miracolosi" chiamati perovskiti ibride organico-inorganico potrebbe essere un punto di svolta per i futuri dispositivi spintronici.
La spintronica usa la direzione dello spin dell'elettrone, verso l'alto o verso il basso, per trasportare informazioni in uno e zero. Un dispositivo spintronico può elaborare esponenzialmente più dati rispetto all'elettronica tradizionale che utilizza il flusso e riflusso della corrente elettrica per generare istruzioni digitali. Ma i fisici hanno lottato per rendere i dispositivi spintronici una realtà.
Il nuovo studio, pubblicato online oggi in Fisica della natura , è il primo a dimostrare che le perovskiti ibride organico-inorganico sono una classe di materiali promettenti per la spintronica. I ricercatori hanno scoperto che le perovskiti possiedono due proprietà contraddittorie necessarie per far funzionare i dispositivi spintronici:lo spin degli elettroni può essere facilmente controllato, e può anche mantenere la direzione di rotazione abbastanza a lungo da trasportare informazioni, una proprietà nota come durata di spin.
"È un dispositivo che le persone hanno sempre voluto realizzare, ma ci sono grandi sfide nel trovare un materiale che possa essere manipolato e, allo stesso tempo, avere una lunga durata di rotazione, "dice Sarah Li, assistente professore presso il Dipartimento di Fisica e Astronomia presso l'U e autore principale dello studio. "Ma per questo materiale, è la proprietà del materiale stesso che soddisfa entrambi."
Il materiale miracoloso
La perovskite ibrida organico-inorganica è già famosa nei circoli scientifici per essere incredibilmente efficiente nel convertire la luce solare in elettricità.
"È incredibile. Un materiale miracoloso, " dice Z. Valy Vardeny, illustre professore presso il Dipartimento di Fisica e Astronomia e coautore dello studio, il cui laboratorio studia le celle solari perovskite. "In pochi anni, le celle solari basate su questo materiale hanno un'efficienza del 22%. E ora ha questa proprietà di durata della rotazione. È fantastico."
La composizione chimica del materiale è un candidato improbabile per la spintronica, però. Il telaio inorganico di perovskite ibrida è costituito da elementi pesanti. Più pesante è l'atomo, più è facile manipolare lo spin dell'elettrone. Va bene per la spintronica. Ma anche altre forze influenzano lo spin. Quando gli atomi sono pesanti, supponi che la durata della rotazione sia breve, spiega Li.
"La maggior parte delle persone del settore non penserebbe che questo materiale abbia una lunga durata di rotazione. È sorprendente per noi, pure, " dice Li. "Non abbiamo ancora scoperto il motivo esatto. Ma è probabilmente qualcosa di intrinseco, proprietà magica del materiale stesso."
Sarah Li (a sinistra) e Z. Valy Vardeny (a destra) del Dipartimento di Fisica e Astronomia dell'Università dello Utah discutono del laser ultraveloce utilizzato per preparare e misurare la direzione dello spin elettronico della perovskite ibrida metil-ammonio piombo iodio (CH3NH3PbI3 ). Sono i primi a dimostrare che le perovskiti ibride organico-inorganico sono una classe di materiali promettenti per la spintronica, un campo emergente che utilizza lo spin dell'elettrone per trasportare informazioni, piuttosto che la carica elettronica utilizzata nell'elettronica tradizionale. Credito:Università dello Utah
Spintronica:quel momento magnetico in cui...
Telefono cellulare, i computer e altri dispositivi elettronici hanno transistor al silicio che controllano il flusso di correnti elettriche come minuscole dighe. Man mano che i dispositivi diventano più compatti, i transistor devono gestire la corrente elettrica in aree sempre più piccole.
"La tecnologia del silicio, basato solo sulla carica dell'elettrone, sta raggiungendo il suo limite di dimensioni, "dice Li, "La dimensione del filo è già piccola. Se diventa più piccola, non funzionerà nel modo classico a cui pensi."
"La gente pensava, "Come possiamo aumentare la quantità di informazioni in un'area così piccola?" aggiunge Vardeny. "Cosa facciamo per superare questo limite?"
"Spintronica, " risponde fisica.
La spintronica utilizza lo spin dell'elettrone stesso per trasportare informazioni. Gli elettroni sono fondamentalmente piccoli magneti che orbitano attorno al nucleo di un elemento. Proprio come la Terra ha il suo orientamento rispetto al sole, gli elettroni hanno un proprio orientamento di spin rispetto al nucleo che può essere allineato in due direzioni:"Su, "che rappresenta uno, e giù, " che rappresenta uno zero. I fisici mettono in relazione il "momento magnetico" dell'elettrone con il suo spin.
Aggiungendo spin all'elettronica tradizionale, è possibile elaborare in modo esponenziale più informazioni rispetto all'utilizzo classico basato su un costo maggiore o minore.
"Con la spintronica, non solo hai enormemente più informazioni, ma non sei limitato dalle dimensioni del transistor. Il limite di dimensione sarà la dimensione del momento magnetico che puoi rilevare, che è molto più piccola della dimensione del transistor al giorno d'oggi, "dice Vardeny.
Il laser ultraveloce spara impulsi di luce molto brevi 80 milioni di volte al secondo sul materiale ibrido perovskite per determinare se i suoi elettroni potrebbero essere utilizzati per trasportare informazioni in dispositivi futuri. Dividono il laser in due raggi; il primo colpisce il film per impostare lo spin dell'elettrone nella direzione desiderata. Il secondo raggio si piega attraverso una serie di specchi come un flipper prima di colpire il film di perovskite a intervalli di tempo crescenti per misurare per quanto tempo l'elettrone ha mantenuto lo spin nella direzione preparata. Credito:Università dello Utah
L'esperimento per sintonizzare lo spin dell'elettrone
Accordare uno spin di elettroni è come accordare una chitarra, ma con un laser e molti specchi.
Primo, i ricercatori hanno formato un film sottile dallo iodio piombo ibrido perovskite metil-ammonio (CH3NH3PbI3) e lo hanno posizionato di fronte a un laser ultraveloce che spara impulsi di luce molto brevi 80 milioni di volte al secondo. I ricercatori sono i primi a utilizzare la luce per impostare l'orientamento di spin dell'elettrone e osservare la precessione di spin in questo materiale.
Dividono il laser in due raggi; il primo ha colpito il film per impostare lo spin dell'elettrone nella direzione desiderata. Il secondo raggio si piega attraverso una serie di specchi come un flipper prima di colpire il film di perovskite a intervalli di tempo crescenti per misurare per quanto tempo l'elettrone ha mantenuto lo spin nella direzione preparata.
Hanno scoperto che la perovskite ha una durata di spin sorprendentemente lunga, fino a nanosecondi. Lo spin si capovolge molte volte durante un nanosecondo, il che significa che molte informazioni possono essere facilmente archiviate e manipolate durante quel periodo.
Una volta determinata la durata della rotazione lunga, i ricercatori hanno testato quanto bene potevano manipolare lo spin con un campo magnetico.
"La rotazione è come la bussola. La bussola gira in questo campo magnetico perpendicolare a quella bussola, e alla fine smetterà di girare, " dice Li. "Dì che hai impostato la rotazione su 'up, ' e tu lo chiami 'uno'. Quando lo esponi al campo magnetico, la rotazione cambia direzione. Se ruota di 180 gradi, cambia da uno a zero. Se ruota di 360 gradi, va da uno a uno."
Hanno scoperto che potevano ruotare lo spin di più di 10 giri esponendo l'elettrone a diverse intensità del campo magnetico.
Il potenziale di questo materiale è enorme, dice Vardeny. Potrebbe elaborare i dati più velocemente e aumentare la memoria ad accesso casuale.
"Ti sto dicendo, è un materiale miracoloso, "dice Vardeny.
