Portare fuori gli elettroni per un giro attraverso le strade nanoscopiche di un dispositivo digitale – senza girare fuori controllo – ha sfidato i ricercatori per anni.

Ma mantenere quel controllo mentre le particelle subatomiche corrono verso i processori potrebbe produrre un trofeo sempre prezioso:più economico, dispositivi più veloci e molto più efficienti dal punto di vista energetico.

Evgeny Tsymbal e Lingling Tao potrebbero aver appena sventolato la bandiera verde – o almeno abbandonato quella bianca. I fisici dell'Università del Nebraska-Lincoln hanno identificato un materiale la cui struttura cristallina potrebbe sostenere meglio lo spin di un elettrone:una proprietà che, simile alla carica, può rappresentare bit di informazione nei dispositivi digitali.

Le CPU standard leggono le quantità di carica elettrica come 1 o 0, con quella carica aprendo o chiudendo un cancello che regola il flusso degli elettroni. In modo molto simile, i dispositivi spintronici possono leggere l'orientamento dello spin di un elettrone:verso l'alto o verso il basso. I dispositivi in ​​grado di parlare entrambe le lingue digitali (carica e rotazione) sono pronti a elaborare e memorizzare le informazioni a velocità che superano facilmente i dispositivi disponibili sul mercato odierno.

Eppure l'orientamento di spin di un elettrone può capovolgersi per un capriccio quantistico, e spesso lo fa. Questo è un problema per gli ingegneri elettrici.

Una soluzione promettente prevede l'applicazione di tensione al gate che già detta il flusso di elettroni. La tensione può essenzialmente "scrivere" lo spin di quegli elettroni su o giù mentre fluiscono, ma anche le inevitabili imperfezioni nella struttura nanoscopica di un dispositivo ne altereranno il momento. E poiché lo slancio influisce sulla rotazione, uno spostamento nella velocità o nella traiettoria degli elettroni può cambiare gli stati di spin previsti prima che vengano letti da un processore, potenzialmente con conseguente incomprensione.

"Il processo diventa fondamentalmente un lancio casuale di spin, " disse Tsymbal, Professore di Fisica e Astronomia alla George Holmes University. "Quando gli elettroni arrivano nella regione in cui dovrebbero essere rilevati, perdono le informazioni codificate nel loro orientamento di rotazione."

Inserisci un materiale noto come ossido di indio bismuto. Sulla base di calcoli eseguiti attraverso l'Holland Computing Center dell'università, il materiale cristallino presenta una serie di simmetrie atomiche che sembrano fissare lo spin di un elettrone in una certa direzione che è indipendente dal suo momento. Se è vero, gli ingegneri potrebbero iniziare a usare la tensione per dettare lo spin senza preoccuparsi di come i difetti influenzino la quantità di moto di un elettrone.

Le simmetrie atomiche dell'ossido di indio bismuto probabilmente esistono in altri materiali cristallini, Tsymbal ha detto, il che significa che è probabile che gli scienziati dei materiali scoprano altri candidati.

"Una volta che un materiale ha questa particolare simmetria cristallina, si può affermare che questo materiale dovrebbe avere anche la proprietà di sostenere lo spin, " disse Tsymbal, direttore del Centro di scienza e ingegneria per la ricerca sui materiali del Nebraska.

I dispositivi Spintronic consumano già sostanzialmente meno energia rispetto all'elettronica standard. Tsymbal ha affermato che la possibilità di scrivere l'orientamento dello spin utilizzando la tensione anziché la corrente elettrica potrebbe rendere i dispositivi ancora più efficienti, potenzialmente fino a 1, 000 volte di più.

"Spintronics è anche ricerca legata all'energia, perché risparmiando energia nei nostri dispositivi elettronici, riduciamo il consumo di energia, " ha detto Tsymbal. "Questo è un problema molto importante."

Tsymbal e Tao, un ricercatore post-dottorato in fisica e astronomia, hanno riportato i loro risultati sulla rivista Comunicazioni sulla natura .