La scoperta di come controllare e trasferire gli elettroni rotanti apre la strada a nuovi dispositivi ibridi che potrebbero superare le prestazioni dell'elettronica a semiconduttore esistente. In uno studio pubblicato su Comunicazioni sulla natura , i ricercatori dell'Università di Linköping in Svezia dimostrano come combinare un semiconduttore comunemente usato con un isolante topologico, uno stato della materia scoperto di recente con proprietà elettriche uniche.

Proprio come la Terra gira attorno al proprio asse, così fa un elettrone, in senso orario o antiorario. "Spintronics" è il nome usato per descrivere le tecnologie che sfruttano sia lo spin che la carica dell'elettrone. Le applicazioni attuali sono limitate, e la tecnologia è utilizzata principalmente nei dischi rigidi dei computer. Spintronics promette grandi vantaggi rispetto all'elettronica convenzionale, compreso un minor consumo di energia e una maggiore velocità.

In termini di conduzione elettrica, i materiali naturali sono classificati in tre categorie:conduttori, semiconduttori e isolanti. I ricercatori hanno recentemente scoperto una fase esotica della materia nota come "isolatori topologici", che è un isolante all'interno, ma un conduttore in superficie. Una delle proprietà più sorprendenti degli isolanti topologici è che un elettrone deve viaggiare in una direzione specifica lungo la superficie del materiale, determinata dalla sua direzione di rotazione. Questa proprietà è nota come "blocco spin-momentum".

"La superficie di un isolante topologico è come un'autostrada divisa e ben organizzata per gli elettroni, dove gli elettroni aventi una direzione di spin viaggiano in una direzione, mentre gli elettroni con la direzione di spin opposta viaggiano nella direzione opposta. Possono viaggiare veloci nelle direzioni designate senza scontrarsi e senza perdere energia, "dice Yuqing Huang, Dottorando di ricerca presso il Dipartimento di Fisica, Chimica e Biologia (IFM) presso l'Università di Linköping.

Queste proprietà rendono gli isolanti topologici promettenti per le applicazioni spintroniche. Però, una domanda chiave è come generare e manipolare la corrente di spin superficiale negli isolanti topologici.

Il team di ricerca dietro l'attuale studio ha ora compiuto il primo passo verso il trasferimento di elettroni orientati allo spin tra un isolante topologico e un semiconduttore convenzionale. Hanno generato elettroni con lo stesso spin nell'arseniuro di gallio, GaAs, un semiconduttore comunemente usato in elettronica. Per realizzare questo, usavano luce polarizzata circolarmente, in cui il campo elettrico ruota in senso orario o antiorario se visto nel senso di marcia della luce. Gli elettroni spin polarizzati potrebbero quindi essere trasferiti dal GaAs a un isolante topologico, generare una corrente elettrica direzionale sulla superficie. I ricercatori potrebbero controllare l'orientamento dello spin degli elettroni, e la direzione e la forza della corrente elettrica nell'isolante topologico tellururo di bismuto, Bi2Te3. Questa flessibilità secondo i ricercatori non era disponibile prima. Tutto questo è stato realizzato senza applicare una tensione elettrica esterna, dimostrando il potenziale di una conversione efficiente dall'energia luminosa all'elettricità. I risultati sono significativi per la progettazione di nuovi dispositivi spintronici che sfruttano l'interazione della materia con la luce, una tecnologia nota come "opto-spintronica".

"Combiniamo le proprietà ottiche superiori del GaAs con le proprietà elettriche uniche di un isolante topologico. Questo ci ha dato nuove idee per la progettazione di dispositivi opto-spintronici che possono essere utilizzati per l'archiviazione delle informazioni efficiente e robusta, scambio, elaborazione e lettura nella futura tecnologia dell'informazione, "dice il professor Weimin Chen, chi ha condotto lo studio.