L'apparato sperimentale consiste in un'eterostruttura di grafene e bisolfuro di molibdeno; un dispositivo spintronico. Applicando una tensione di gate, è possibile controllare se la corrente che passa includerà o meno un segnale di spin. Credito:Chalmers University of Technology
Combinando il grafene con un altro materiale bidimensionale, i ricercatori della Chalmers University of Technology hanno creato un prototipo di un dispositivo simile a un transistor per i futuri computer, basato su ciò che è noto come spintronica. Spin come vettore di informazioni può portare a un'elettronica significativamente più veloce e più efficiente dal punto di vista energetico. Può anche portare a componenti più versatili in grado di calcolare e memorizzare i dati. La scoperta è pubblicata sulla rivista scientifica Comunicazioni sulla natura .
Poco più di due anni fa, lo stesso gruppo di ricerca della Chalmers University of Technology ha dimostrato che il grafene, che è un ottimo conduttore elettrico, ha anche proprietà spintroniche insuperabili.
La maglia di carbonio supersottile si è dimostrata in grado di veicolare elettroni con spin coordinato su distanze maggiori e di preservare lo spin per un tempo più lungo rispetto a qualsiasi altro materiale noto a temperatura ambiente.
Sebbene la distanza sia ancora sulla scala di pochi micrometri e il tempo sia ancora misurato in nanosecondi, questo in linea di principio ha aperto le porte alla possibilità di utilizzare lo spin nei componenti microelettronici.
"Ma, non è sufficiente avere una buona autostrada per far viaggiare il segnale di rotazione. Hai anche bisogno di semafori in modo che il segnale possa essere controllato, " afferma il Professore Associato Saroj Dash, capogruppo del gruppo di ricerca.
"La nostra nuova sfida è stata trovare un materiale in grado di trasmettere e controllare la rotazione. È difficile, poiché entrambi i compiti normalmente richiedono proprietà del materiale completamente opposte, " lui spiega.
Come molti altri ricercatori nel campo caldo del grafene, i ricercatori di Chalmers hanno quindi scelto di testare una combinazione di grafene e un altro sottile, cosiddetto materiale bidimensionale, con proprietà spintroniche contrastanti.
"Il nostro materiale preferito era il bisolfuro di molibdeno, MoS2, grazie alla sua durata di rotazione ridotta, la formazione di vapore dall'accoppiamento ad alta rotazione orbita, " afferma André Dankert, ricercatore post-dottorato nel gruppo.
André Dankert e Saroj Dash hanno progettato un esperimento in cui alcuni strati di bisolfuro di molibdeno sono stati posti sopra uno strato di grafene in una specie di sandwich, detto eterostruttura. Con questo, potrebbero identificare in dettaglio cosa succede al segnale di spin quando la corrente di elettroni raggiunge l'eterostruttura:
"In primo luogo, l'ampiezza del segnale di spin e la durata nel grafene si riducono di dieci volte solo attraverso lo stretto contatto con il bisolfuro di molibdeno. Ma, mostriamo anche come si può controllare il segnale e la durata applicando una tensione di gate elettrica attraverso l'eterostruttura, " spiega Saroj Dash.
Questo perché la barriera energetica naturale che esiste tra gli strati di materiale, chiamato la barriera Schottky, si riduce quando viene applicata la tensione elettrica. Con questo, gli elettroni possono tunnel meccanicamente dal grafene nel bisolfuro di molibdeno. Questo fa scomparire la polarizzazione di spin; lo spin diventa distribuito casualmente.
L'apertura o la chiusura di una "valvola" in questo modo regolando una tensione è simile a come funziona un transistor nell'elettronica convenzionale. Ciò nonostante, Saroj Dash è un po' riluttante a chiamare il dispositivo uno spin transistor.
"Quando i ricercatori hanno proposto sui futuri spin transistor, spesso immaginavano qualcosa basato sulla tecnologia dei semiconduttori e sulla cosiddetta manipolazione coerente dello spin degli elettroni. Quello che abbiamo fatto funziona in modo completamente diverso, ma esegue un'attività di commutazione simile, " lui dice.
Immagine al microscopio elettronico a scansione colorata di un dispositivo spintronico eterostrutturato con materiali MoS2/grafene 2D fabbricato. Credito:Spin FET@Chalmers
"Questa è la prima volta che qualcuno è stato in grado di dimostrare che il controllo del gate della corrente di spin e della durata dello spin funziona a temperatura ambiente, il che aumenta naturalmente le possibilità per diverse applicazioni in futuro, "dice Saroj Dash.
Sebbene sia troppo presto per prevedere quali sarebbero, Dash sottolinea che un componente basato su questo principio potrebbe essere estremamente versatile perché contiene elementi di memoria magnetica, semiconduttori e grafene, oltre ad avere la capacità di eseguire la commutazione spintronica.
"Si tratta di un componente multifunzionale in grado di gestire sia l'archiviazione dei dati che il lavoro del processore, in un'unica unità".
Fatti:bisolfuro di molibdeno, MoS2
Il bisolfuro di molibdeno è una sostanza semiconduttrice con cui molti sono venuti a contatto, poiché è l'ingrediente attivo in un certo tipo di lubrificante venduto presso la stazione di servizio locale.
Con la sua struttura a strati, il bisolfuro di molibdeno ha somiglianze con la grafite, che è costituito da diversi strati di grafene che si attaccano tra loro. Però, quando si tratta di spintronica i materiali sono l'uno l'opposto dell'altro. Il bisolfuro di molibdeno non consente il passaggio di alcuna corrente di elettroni polarizzati. Il segnale di spin incontra una morte improvvisa poiché gli elettroni ritornano rapidamente al loro naturale, miscela casuale di up-spin e down-spin.
Fatti:Spin e spintronica
Lo spin è una proprietà della meccanica quantistica degli elettroni e di altre particelle elementari. La rotazione è diretta verso l'alto o verso il basso. La distribuzione è normalmente casuale.
Ma, a volte tutti o la maggior parte degli elettroni in un materiale hanno il loro spin orientato nella stessa direzione:verso l'alto o verso il basso. Ecco come avviene il magnetismo.
Con l'aiuto di magneti, una corrente di elettroni può essere omogeneizzata – cioè polarizzata – in modo che tutti gli elettroni abbiano spin verso l'alto, Per esempio. Si dice quindi che la corrente trasporta un segnale di spin.
La rotazione coordinata è sensibile alle interruzioni e può essere facilmente persa, ma il grafene ha dimostrato di essere un conduttore che consente a una corrente di viaggiare insolitamente a lungo con il suo spin intatto. Abbastanza a lungo da poter utilizzare lo spin come vettore di informazioni nei futuri componenti logici:la spintronica.
