L'elettronica è progredita grazie a continui miglioramenti nella tecnologia dei microprocessori dagli anni '60. Però, questo processo di raffinamento è destinato a bloccarsi nel prossimo futuro a causa dei vincoli imposti dalle leggi della fisica. Alcuni di questi colli di bottiglia hanno già avuto effetto. Ad esempio, le velocità di clock dei processori non hanno superato alcuni gigahertz, o più operazioni al nanosecondo, negli ultimi 20 anni, una limitazione derivante dalla resistenza elettrica del silicio. Ciò ha portato a una ricerca globale sempre più urgente di alternative superiori all'elettronica dei semiconduttori.

Uno dei principali candidati, spintronica, si basa sull'idea di trasportare informazioni tramite lo spin degli elettroni. L'utilizzo di correnti di spin per trasmettere informazioni è una prospettiva entusiasmante perché comporta un consumo energetico inferiore rispetto alle normali correnti elettriche. Ci sono, però, numerose difficoltà pratiche da superare. Uno dei più gravi è il problema dell'iniezione di spin, trasferire una corrente di spin da un materiale a un altro (ad es. da un metallo magnetico a un semiconduttore). Questo tende a rimescolare le rotazioni, distruggere le informazioni che trasportano.

Ora, una svolta nella velocità e nell'efficienza della spintronica è stata raggiunta da un team di scienziati della Nanyang Technological University (NTU), l'Università Nazionale di Singapore (NUS), e l'Agenzia per la Scienza, Tecnologia e ricerca (A*STAR) a Singapore, così come il Los Alamos National Lab negli Stati Uniti. Hanno dimostrato che un impulso ultracorto di corrente di spin, durata inferiore a un picosecondo (un trilionesimo di secondo), può essere iniettato da un metallo a un semiconduttore con sorprendente efficienza, battendo il precedente record di spin injection di oltre 10000 volte. Questi risultati sono stati descritti in un paio di articoli recentemente pubblicati sulle principali riviste scientifiche Fisica della natura e Materiale avanzato .

In questi esperimenti, impulsi di corrente di spin ultracorti sono prodotti facendo brillare un impulso laser su cobalto, un metallo magnetico. Questo genera uno sciame di elettroni eccitati con polarizzazione di spin, il che significa che gli spin puntano principalmente nella stessa direzione. Gli elettroni portatori di spin quindi viaggiano verso l'esterno, diffondersi in altri materiali adiacenti.

"Volevamo dimostrare che questi impulsi di corrente di spin ultracorti possono essere utilizzati per un'efficace iniezione di spin, "dice Marco Battiato, un Nanyang Assistant Professor presso NTU e membro del gruppo di ricerca, che aveva avanzato la prima previsione teorica di questo fenomeno nel 2016. Egli osserva che la diffusione verso l'esterno degli impulsi di corrente di spin avviene nell'arco di diverse centinaia di femtosecondi (un femtosecondo è un millesimo di picosecondo). Questo è fino a 1000 volte più veloce dei dispositivi elettronici convenzionali, rendendolo potenzialmente utile per futuri dispositivi spintronici ad alta velocità.

L'estrema velocità di diffusione dello spin, anche se emozionante, rende anche il fenomeno difficile da studiare in esperimenti che utilizzano le attuali tecnologie elettroniche. "Abbiamo dovuto escogitare un'attenta strategia per misurare le correnti di spin che fluiscono nella parte semiconduttiva del dispositivo, "dice il Professore Associato Elbert Chia, che ha supervisionato la parte sperimentale del progetto presso NTU. "Per realizzare questo, abbiamo usato un semiconduttore contenente elementi pesanti, che converte le correnti di spin in correnti elettriche ultracorte. L'intero campione diventa quindi un'antenna elettromagnetica, emettendo radiazioni a frequenze terahertz (intermedie tra microonde e luce infrarossa). Siamo in grado di misurare questa radiazione, quindi lavorare a ritroso per calcolare la corrente di rotazione originale."

Selezionando accuratamente i materiali nel loro dispositivo spintronico, il team è stato in grado di dimostrare in modo conclusivo che una corrente polarizzata con spin veniva iniettata nel semiconduttore. Sorprendentemente, la forza di questa corrente di spin si è rivelata superiore a 10, 000 volte più grande del record precedente. "Nei dispositivi reali, non saranno necessarie correnti di spin così forti, così si può farla franca con eccitazioni considerevolmente più deboli, " osserva il Professore Associato Chia. Negli esperimenti di follow-up, gli autori sono stati in grado di determinare quanto tempo ha impiegato la corrente di spin per formarsi e decadere.

"Forse l'aspetto più sorprendente è che tutto questo è stato dimostrato utilizzando una semplice interfaccia metallo-semiconduttore, senza la complicata e costosa ingegneria strutturale che si vede in altri esperimenti spintronici, ", afferma l'assistente professore di Nanyang Justin Song, un fisico teorico e membro della National Research Foundation (NRFF), anch'egli parte del progetto. I campioni sono stati fabbricati dal gruppo di ricerca del Professore Associato Hyunsoo Yang in NUS.

"Questi risultati rappresentano un passo fondamentale nello sviluppo della spintronica ultraveloce basata sulla superdiffusione della corrente di spin, ", afferma l'assistente professore Battiato di Nanyang. In futuro, il team prevede che questo efficiente processo di iniezione di spin diventi una delle tecnologie chiave alla base dei computer spintronici ad alta velocità.