Le tecnologie dell'informazione del futuro probabilmente utilizzeranno lo spin degli elettroni, piuttosto che la carica degli elettroni, per trasportare le informazioni. Ma prima, gli scienziati devono capire meglio come controllare lo spin e imparare a costruire l'equivalente di spin dei componenti elettronici, dai transistor di spin, per far girare porte e circuiti.

Ora, I ricercatori dell'Università di Harvard hanno sviluppato una tecnica per controllare e misurare la tensione di spin, noto come potenziale chimico di spin. La tecnica, che utilizza difetti di dimensioni atomiche nei diamanti per misurare il potenziale chimico, è essenzialmente un multimetro di spin su scala nanometrica che consente misurazioni in dispositivi su scala di chip.

La ricerca è pubblicata su Scienza .

"C'è un crescente interesse per i materiali isolanti che possono condurre spin, " ha detto Amir Yacoby, Professore di Fisica presso il Dipartimento di Fisica e di Fisica Applicata presso la John A. Paulson School of Engineering and Applied Sciences di Harvard e autore senior dell'articolo. "Il nostro lavoro sviluppa un nuovo modo di guardare a queste rotazioni in materiali come i magneti".

Nella conduzione dei materiali, gli elettroni possono trasportare informazioni spostandosi dal punto A al punto B. Questa è una corrente elettrica. Rotazione, d'altra parte, può propagarsi attraverso materiali isolanti in onde:ogni elettrone sta fermo e comunica la rotazione al suo vicino accoppiato, come un gioco quantistico del telefono.

Per guidare queste onde dal punto A al punto B, i ricercatori avevano bisogno di sviluppare una tecnica per aumentare il potenziale chimico di spin, la tensione di spin, a livello locale.

"Se hai un alto potenziale chimico nella posizione A e un basso potenziale chimico nella posizione B, le onde di spin iniziano a diffondersi da A a B, " ha detto Chunhui Du, borsista post-dottorato presso il Dipartimento di Fisica e co-primo autore dell'articolo. "Questo è un concetto molto importante nella spintronica, perché se sei in grado di controllare il trasporto spin-wave, quindi puoi usare queste onde di spin invece della corrente elettrica come vettori di informazioni".

I ricercatori hanno utilizzato due metodi di iniezione spin-wave:nel primo, hanno applicato oscillazioni veloci, campi magnetici a microonde per eccitare le onde di spin. Nel secondo, hanno convertito una corrente elettrica in onde di spin utilizzando una striscia di metallo platino situata a un'estremità del magnete.

"La cosa notevole è che questo materiale è un isolante; non conduce alcuna corrente e tuttavia è possibile inviare informazioni sotto forma di onde di spin attraverso di esso, " disse Toeno Van der Sar, borsista post-dottorato presso il Dipartimento di Fisica e co-primo autore dell'articolo. "Le onde di spin sono così promettenti perché possono viaggiare a lungo senza decadere, e non c'è quasi nessun calore prodotto perché non hai elettroni in movimento."

Una volta che il team ha iniettato onde di spin nel materiale, il passo successivo è stato capire come misurare le informazioni su quelle onde. I ricercatori si sono rivolti ai difetti della vacanza di azoto (NV) nei diamanti. Questi difetti, in cui un atomo di carbonio in un diamante viene sostituito con un atomo di azoto e un atomo vicino viene rimosso, possono essere utilizzati per rilevare minuscoli campi magnetici.

I ricercatori hanno fabbricato minuscole bacchette di diamante contenenti centri NV e le hanno posizionate nanometri sopra il campione. Mentre le onde di spin si muovono attraverso il materiale, generano un campo magnetico, che viene prelevato dal centro NV.

Sulla base delle misurazioni del centro NV, i ricercatori possono ora capire il potenziale chimico di spin, il numero di onde di spin, come si stanno muovendo attraverso il materiale e altre importanti intuizioni.

"La cosa bella di questa tecnica è che è molto locale, " ha detto Van der Sar. "Puoi fare queste misurazioni a pochi nanometri sopra il campione, il che significa che puoi studiare spazialmente il potenziale chimico in un dispositivo spin-wave su scala chip, per, diciamo, un computer spin-wave. Questo non è possibile con alcune delle altre tecniche all'avanguardia".

Questo sistema potrebbe anche offrire uno sguardo alla fisica più esotica come l'effetto Hall spin-wave, o mostrare che il trasporto spin-wave è idrodinamico.

"Il principio che usiamo per controllare e misurare il potenziale chimico di spin è abbastanza generale. Apre modi per studiare fenomeni di spin più esotici in nuovi materiali e aiuta lo sviluppo di nuovi dispositivi spintronici, " ha detto Du.