Quando il mineralogista tedesco Gustav Rose si trovava sulle pendici dei monti Urali in Russia nel 1839 e raccolse un pezzo di un minerale precedentemente sconosciuto, non aveva mai sentito parlare di transistor o diodi né aveva idea di come l'elettronica convenzionale sarebbe diventata parte integrante della nostra vita quotidiana. Non avrebbe potuto prevedere che la roccia che teneva in mano, che chiamò "perovskite, " potrebbe essere una chiave per rivoluzionare l'elettronica come la conosciamo.

Nel 2017, Il fisico dell'Università dello Utah Valy Vardeny ha definito la perovskite un "materiale miracoloso" per un campo emergente dell'elettronica di prossima generazione, chiamata spintronica, e lui è fedele a questa affermazione. In un articolo pubblicato oggi in Comunicazioni sulla natura , Vardeny, insieme a Jingying Wang, Dali Sun (ora alla North Carolina State University) e colleghi presentano due dispositivi costruiti utilizzando perovskite per dimostrare il potenziale del materiale nei sistemi spintronici. Le sue proprietà, Vardeny dice, avvicina il sogno di un transistor spintronico alla realtà.

Spintronica

Un sistema elettronico digitale convenzionale trasmette un segnale binario (si pensi a 1 e 0) attraverso impulsi di elettroni trasportati attraverso un filo conduttivo. La spintronica può trasmettere informazioni aggiuntive tramite un'altra caratteristica degli elettroni, la loro direzione di rotazione (pensa in alto o in basso). Lo spin è legato al magnetismo. Quindi la spintronica usa il magnetismo per allineare gli elettroni di un certo spin, o "iniettare" spin in un sistema.

Se hai mai fatto il vecchio esperimento scientifico di trasformare un chiodo in un magnete trascinando ripetutamente un magnete lungo la sua lunghezza, allora ti sei già dilettato con la spintronica. Il magnete trasferisce le informazioni all'unghia. Il trucco è quindi trasportare e manipolare tali informazioni, che richiede dispositivi e materiali con proprietà finemente sintonizzate. I ricercatori stanno lavorando verso la pietra miliare di un transistor di spin, una versione spintronica dei componenti elettronici che si trovano praticamente in tutta l'elettronica moderna. Un tale dispositivo richiede un materiale semiconduttore in cui un campo magnetico può facilmente manipolare la direzione dello spin degli elettroni, una proprietà chiamata accoppiamento spin-orbita. Non è facile costruire un transistor del genere, dice Wang. "Continuiamo a cercare nuovi materiali per vedere se sono più adatti a questo scopo".

Ecco dove entrano in gioco le perovskiti.

perovskiti

Le perovskiti sono una classe di minerali con una particolare struttura atomica. Il loro valore come materiale tecnologico è diventato evidente solo negli ultimi 10 anni. A causa di quella struttura atomica, i ricercatori hanno sviluppato la perovskite in un materiale per realizzare pannelli solari. Entro il 2018 avevano raggiunto un'efficienza fino al 23% dell'energia solare convertita in energia elettrica, un grande passo avanti rispetto al 3,8% nel 2009.

Intanto, Vardeny ei suoi colleghi stavano esplorando le possibilità della spintronica e dei vari materiali che potrebbero rivelarsi efficaci nella trasmissione dello spin. A causa dei pesanti atomi di piombo nella perovskite, i fisici hanno predetto che il minerale potrebbe possedere un forte accoppiamento spin-orbita. In un documento del 2017, Vardeny e l'assistente professore di fisica Sarah Li hanno dimostrato che una classe di perovskiti chiamate perovskiti ibride organico-inorganico possiede effettivamente un grande accoppiamento spin-orbita. Anche, la durata dello spin iniettato nei materiali ibridi è durata relativamente a lungo. Entrambi i risultati hanno suggerito che questo tipo di perovskite ibrida era promettente come materiale per la spintronica.

Due dispositivi spintronici

Il prossimo passo, che Vardeny e Wang hanno realizzato nel loro recente lavoro, consisteva nell'incorporare la perovskite ibrida nei dispositivi spintronici. Il primo dispositivo è un diodo spintronico a emissione di luce, o LED. Il semiconduttore in un LED tradizionale contiene elettroni e buchi, posti negli atomi dove dovrebbero esserci gli elettroni, ma non lo sono. Quando gli elettroni passano attraverso il diodo, riempiono i buchi ed emettono luce.

Wang afferma che un LED spintronico funziona più o meno allo stesso modo, ma con un elettrodo magnetico, e con lacune di elettroni polarizzate per accogliere gli elettroni di un certo spin. Il LED si è illuminato con elettroluminescenza polarizzata circolarmente, Wang dice, mostrando che l'elettrodo magnetico ha trasferito con successo elettroni spin polarizzati nel materiale.

"Non è ovvio che se metti insieme un semiconduttore e un ferromagnete ottieni un'iniezione di spin, " Aggiunge Vardeny. "Devi dimostrarlo. E lo hanno dimostrato».

Il secondo dispositivo è una valvola di rotazione. Dispositivi simili esistono già e vengono utilizzati in dispositivi come i dischi rigidi dei computer. In una valvola di rotazione, un campo magnetico esterno inverte la polarità dei materiali magnetici nella valvola tra un aperto, stato di bassa resistenza e chiuso, stato ad alta resistenza.

La valvola rotante di Wang e Vardeny fa di più. Con la perovskite ibrida come materiale del dispositivo, i ricercatori possono iniettare lo spin nel dispositivo e quindi causare la precessione dello spin, o oscillare, all'interno del dispositivo mediante manipolazione magnetica.

Questo è un grosso problema, dicono i ricercatori. "Puoi sviluppare spintronica che non sono solo utili per la registrazione di informazioni e l'archiviazione dei dati, ma anche calcolo, " Dice Wang. "Questo era un obiettivo iniziale per le persone che hanno iniziato il campo della spintronica, ed è su questo che stiamo ancora lavorando".

Presi insieme, questi esperimenti mostrano che la perovskite funziona come un semiconduttore spintronico. L'obiettivo finale di un transistor basato sullo spin è ancora a diversi passi di distanza, ma questo studio pone importanti basi per il cammino da percorrere.

"Quello che abbiamo fatto è dimostrare che ciò che la gente pensava fosse possibile con la perovskite accade davvero, " Dice Vardeny. "Questo è un grande passo."