Un team internazionale di scienziati ha scoperto una nuova strada per i transistor a bassissima potenza utilizzando un materiale composito a base di grafene.

Man mano che i transistor vengono schiacciati in aree sempre più piccole all'interno dei chip dei computer, l'industria dei semiconduttori fatica a contenere il surriscaldamento dei dispositivi.

Ora i ricercatori dell'Università di York e dell'Università Roma Tre ritengono che la soluzione risieda nei materiali compositi costituiti da monostrati di grafene e dicalcogenuro di metallo di transizione (TMDC). Hanno scoperto che questi materiali potrebbero essere utilizzati per ottenere un controllo elettrico preciso sullo spin dell'elettrone - il suo minuscolo ago della bussola.

La nuova ricerca, pubblicato oggi sulla rivista Lettere di revisione fisica , potrebbe aprire la strada alla tanto necessaria elettronica a basso consumo energetico.

Il ricercatore capo Dr Aires Ferreira, del Dipartimento di Fisica dell'Università di York, ha detto:"Per molti anni, abbiamo cercato buoni conduttori che permettessero un controllo elettrico efficiente sullo spin dell'elettrone.

"Abbiamo scoperto che questo può essere ottenuto con poco sforzo quando il grafene bidimensionale è accoppiato con alcuni materiali stratificati semiconduttori. I nostri calcoli mostrano che l'applicazione di piccole tensioni attraverso lo strato di grafene induce una polarizzazione netta degli spin di conduzione.

"Crediamo che le nostre previsioni attireranno un notevole interesse da parte della comunità della spintronica. Il flessibile, la natura atomicamente sottile della struttura a base di grafene è un grande vantaggio per le applicazioni. Anche, la presenza di un componente semiconduttore apre la possibilità di integrazione con reti di comunicazione ottica."

Lo spin dell'elettrone è come un minuscolo, magnete puntiforme che può puntare solo in due direzioni, su o giù. Nei materiali in cui è allineata una frazione maggiore degli spin degli elettroni, viene prodotta una risposta magnetica, che può essere utilizzato per codificare le informazioni.

Le "correnti di spin" - costruite da spin "su" e "giù" che scorrono in direzioni opposte - non trasportano carica netta, e quindi in teoria non producono riscaldamento. Il controllo delle informazioni di spin aprirebbe quindi la strada verso chip per computer ultra efficienti dal punto di vista energetico. Il team di ricercatori ha dimostrato che quando una piccola corrente passa attraverso lo strato di grafene, lo spin degli elettroni si polarizza nel piano a causa delle forze 'spin-orbitale' determinate dalla vicinanza alla base del TMDC. Hanno anche dimostrato che l'efficienza della conversione da carica a spin può essere piuttosto elevata anche a temperatura ambiente.

Manuel Offidani, uno studente di dottorato presso il Dipartimento di Fisica di York, eseguito la maggior parte dei calcoli complessi in questo studio. Ha detto:"La polarizzazione indotta dalla corrente dello spin dell'elettrone è un elegante fenomeno relativistico che si verifica all'interfaccia tra materiali diversi.

"Abbiamo scelto il grafene principalmente per le sue superbe proprietà strutturali ed elettroniche. Al fine di migliorare gli effetti relativistici sperimentati dai portatori di carica nel grafene, abbiamo studiato la possibilità di abbinarlo a semiconduttori a strati scoperti di recente".

Professor Roberto Raimondi, che guida il gruppo di spintronica dell'Università Roma Tre, ha dichiarato:"La possibilità di orientare lo spin dell'elettrone con correnti elettriche sta attirando molta attenzione nella comunità spintronica e nasce generalmente come conseguenza di specifiche condizioni di simmetria.

"In quanto tale questo fenomeno rappresenta un perfetto esempio in cui ricerca fondamentale e applicata vanno felicemente insieme. A questo proposito, i nostri calcoli dimostrano che il grafene combinato con i dichalcogenuri dei metalli di transizione è una piattaforma ideale in cui i principi teorici astratti possono trovare un'applicazione immediata nel mostrare la strada allo sviluppo sperimentale e tecnologico".

La polarizzazione dello spin indotta dalla corrente in mezzi non magnetici è stata dimostrata per la prima volta nel 2001 nei semiconduttori e, più recentemente, in etero-interfacce metalliche. Ora i ricercatori prevedono che un effetto simile si verifica nel grafene sul monostrato TMDC.

Sorprendentemente hanno scoperto che il carattere unico degli stati elettronici nel grafene consente un'efficienza di conversione da carica a spin fino al 94%. Ciò apre la possibilità che un materiale composito a base di grafene diventi la base per dispositivi spin-logic ultracompatti e più ecologici.

Dott. Mirco Milletarì, un ex membro del gruppo di spintronica dell'Università Roma Tre, ha dichiarato:"Questo lavoro segue le intuizioni acquisite dalla comprensione delle leggi fondamentali che ci hanno permesso di immaginare sistemi in cui l'efficienza della conversione carica-spin può essere ottimale per le applicazioni tecnologiche. In particolare, la tanto necessaria elettronica a basso consumo energetico che migliorerà la durata e le prestazioni dei dispositivi futuri."