Ingegneri dell'Università della California, lungo il fiume, hanno segnalato progressi nei cosiddetti dispositivi "spintronici" che contribuiranno a portare a una nuova tecnologia per l'elaborazione e l'archiviazione dei dati. Hanno sviluppato metodi per rilevare segnali da componenti spintronici fatti di metalli a basso costo e silicio, che supera una delle principali barriere all'ampia applicazione della spintronica. In precedenza tali dispositivi dipendevano da strutture complesse che utilizzavano metalli rari e costosi come il platino. I ricercatori sono stati guidati da Sandeep Kumar, un assistente professore di ingegneria meccanica.

I dispositivi spintronici promettono di risolvere i principali problemi dei computer elettronici di oggi, in quanto i computer utilizzano enormi quantità di elettricità e generano calore che richiede un consumo ancora maggiore di energia per il raffreddamento. Al contrario, i dispositivi spintronici generano poco calore e utilizzano quantità relativamente minuscole di elettricità. I computer spintronici non richiederebbero energia per mantenere i dati in memoria. Inoltre, inizierebbero immediatamente e avrebbero il potenziale per essere molto più potenti dei computer di oggi.

Mentre l'elettronica dipende dalla carica degli elettroni per generare gli uno o gli zeri binari dei dati del computer, la spintronica dipende dalla proprietà degli elettroni chiamati spin. I materiali spintronici registrano i dati binari attraverso l'orientamento di spin "su" o "giù" degli elettroni, come il nord e il sud dei magneti a barra, nei materiali. Una delle principali barriere allo sviluppo di dispositivi spintronici è la generazione e il rilevamento dei segnali di spin elettrici infinitesimali nei materiali spintronici.

In un articolo pubblicato nel numero di gennaio della rivista scientifica Lettere di fisica applicata , Kumar e colleghi hanno riportato una tecnica efficiente per rilevare le correnti di spin in un semplice sandwich a due strati di silicio e una lega di nichel-ferro chiamata Permalloy. Tutti e tre i componenti sono sia economici che abbondanti e potrebbero fornire la base per dispositivi spintronici commerciali. Funzionano anche a temperatura ambiente. Gli strati sono stati creati con i processi di produzione elettronica ampiamente utilizzati chiamati sputtering. I coautori del documento erano gli studenti laureati Ravindra Bhardwaj e Paul Lou.

Nei loro esperimenti, i ricercatori hanno riscaldato un lato del sandwich a doppio strato di Permalloy-silicio per creare un gradiente di temperatura, che ha generato una tensione elettrica nel doppio strato. La tensione era dovuta al fenomeno noto come effetto spin-Seebeck. Gli ingegneri hanno scoperto che potevano rilevare la "corrente di spin" risultante nel doppio strato a causa di un altro fenomeno noto come "effetto spin-Hall inverso".

I ricercatori hanno affermato che i loro risultati avranno applicazione per un'efficiente commutazione magnetica nelle memorie dei computer, e "queste scoperte scientifiche possono dare impulso" allo sviluppo di tali dispositivi. Più in generale, hanno concluso, "Questi risultati portano l'onnipresente Si (silicio) in prima linea nella ricerca spintronica e getteranno le basi di dispositivi Si spintronici e Si spin caloritronici efficienti dal punto di vista energetico".

In altri due articoli scientifici, i ricercatori hanno dimostrato di poter generare una proprietà chiave per i materiali spintronici, chiamato antiferromagnetismo, nel silicio. Il risultato apre un importante percorso verso la spintronica commerciale, hanno detto i ricercatori, dato che il silicio è poco costoso e può essere prodotto utilizzando una tecnologia matura con una lunga storia di applicazioni in elettronica.

Il ferromagnetismo è la proprietà dei materiali magnetici in cui i poli magnetici degli atomi sono allineati nella stessa direzione. In contrasto, l'antiferromagnetismo è una proprietà in cui gli atomi vicini sono orientati magneticamente in direzioni opposte. Questi "momenti magnetici" sono dovuti allo spin degli elettroni negli atomi, ed è fondamentale per l'applicazione dei materiali in spintronica.

Nei due giornali, Kumar e Lou hanno riferito di aver rilevato l'antiferromagnetismo nei due tipi di silicio, chiamati di tipo n e di tipo p, utilizzati nei transistor e in altri componenti elettronici. Il silicio semiconduttore di tipo N è "drogato" con sostanze che gli fanno avere un'abbondanza di elettroni carichi negativamente; e il silicio di tipo p è drogato per avere una grande concentrazione di "buchi" carichi positivamente. La combinazione dei due tipi consente la commutazione di corrente in dispositivi come i transistor utilizzati nelle memorie dei computer e altri dispositivi elettronici.

Nel giornale in Journal of Magnetism and Magnetic Materials , Lou e Kumar hanno riferito di aver rilevato l'effetto spin-Hall e l'antiferromagnetismo nel silicio n. I loro esperimenti hanno utilizzato un film sottile multistrato comprendente palladio, nichel-ferro Permalloy, ossido di manganese e n-silicio.

E nella seconda carta, nella rivista scientifica stato fisico solidi , hanno riferito di aver rilevato nell'antiferromagnetismo guidato dallo spin del silicio p e una transizione del silicio tra proprietà metalliche e isolanti. Questi esperimenti hanno utilizzato un film sottile simile a quelli con l'n-silicio.

I ricercatori hanno scritto in quest'ultimo documento che "Il comportamento antiferromagnetico emergente osservato può gettare le basi della spintronica del Si (silicio) e può cambiare ogni campo che coinvolge i film sottili di Si. Questi esperimenti presentano anche un potenziale controllo elettrico del comportamento magnetico utilizzando la semplice fisica dell'elettronica dei semiconduttori. Il grande cambiamento osservato nella resistenza e nella dipendenza dal drogaggio della trasformazione di fase incoraggia lo sviluppo di dispositivi spintronici antiferromagnetici e a cambiamento di fase".

In ulteriori studi, Kumar e i suoi colleghi stanno sviluppando una tecnologia per attivare e disattivare le correnti di spin nei materiali, con l'obiettivo finale di creare un transistor di rotazione. Stanno anche lavorando per generare più grandi, chip spintronici ad alto voltaggio. Il risultato del loro lavoro potrebbe essere estremamente basso, trasmettitori e sensori compatti, così come l'archiviazione dei dati ad alta efficienza energetica e le memorie del computer, disse Kumar.