Le correnti elettriche guidano tutti i nostri dispositivi elettronici. Il campo emergente della spintronica cerca di sostituire le correnti elettriche con le cosiddette correnti di spin. I ricercatori dell'Università di Tokyo hanno fatto un passo avanti in questo settore. La loro scoperta dell'effetto Hall di spin magnetico potrebbe portare a bassa potenza, dispositivi ad alta velocità e ad alta capacità. Hanno creato dispositivi campione che possono approfondire la ricerca in potenziali applicazioni.

"L'elettricità ha illuminato il mondo e l'elettronica lo ha collegato, " afferma il professor Yoshichika Otani dell'Istituto per la fisica dello stato solido. "La spintronica sarà il prossimo passo avanti in questa processione e possiamo solo immaginare quali progressi possa portare".

Quindi cos'è la spintronica e perché dovremmo essere entusiasti?

"In sostanza la spintronica viene utilizzata per trasferire informazioni, qualcosa per cui abbiamo sempre usato le correnti elettriche, "continua Otani, "ma la spintronica offre tutta una serie di vantaggi, alcuni dei quali stiamo appena iniziando a capire".

Attualmente, l'efficienza energetica dei dispositivi elettrici ed elettronici è un fattore limitante nello sviluppo tecnologico. Il problema sta nella natura delle correnti elettriche, il flusso di carica sotto forma di elettroni. Quando gli elettroni attraversano un circuito perdono energia sotto forma di calore disperso. La spintronica migliora la situazione:invece del movimento sfrutta un'altra proprietà degli elettroni per trasferire informazioni, il loro momento angolare o "spin".

"Nelle correnti di spin gli elettroni si muovono ancora ma molto meno che in una corrente di carica, " spiega Otani. "È il movimento degli elettroni che in genere porta alla resistenza e al calore disperso. Poiché riduciamo la necessità di così tanto movimento di elettroni, miglioriamo notevolmente l'efficienza".

Per dimostrare questo fenomeno, i ricercatori hanno creato un nuovo tipo di materiale chiamato "antiferromagnete non collineare" - Mn3Sn, che è un tipo speciale di magnete. Nei magneti di tutti i giorni, o ferromagneti, come quelli che potresti trovare sulle porte dei frigoriferi, gli spin degli elettroni all'interno si allineano in parallelo, il che impregna il materiale del suo effetto magnetico. In questo antiferromagnete gli spin degli elettroni si allineano in disposizioni triangolari in modo tale che nessuna direzione sia prevalente e l'effetto magnetico sia effettivamente soppresso.

Quando una piccola corrente elettrica viene immessa in Mn3Sn e gli viene applicato un campo magnetico nel modo giusto, gli elettroni si ordinano in base al loro spin e ai flussi di corrente elettrica. Questo è l'effetto Hall di spin magnetico, e il processo può essere invertito con l'effetto Hall magnetico di spin inverso per ottenere una corrente elettrica da una corrente di spin.

In Mn3Sn allo stesso modo gli spin tendono ad accumularsi sulla superficie del materiale, quindi viene tagliato in strati sottili per massimizzare la sua area superficiale e quindi la capacità di corrente di spin trasportata da un campione. I ricercatori hanno già incorporato questo materiale in un dispositivo funzionale per fungere da banco di prova per possibili applicazioni e sono entusiasti delle prospettive.

"L'efficienza energetica negli impianti elettrici è sufficiente per suscitare l'interesse di alcuni, ma l'uso di antiferromagneti per generare correnti di spin potrebbe migliorare anche altri aspetti della tecnologia, " dice Otani. "Gli antiferromagneti più facilmente miniaturizzati, operano a frequenze più elevate e si impacchettano più densamente dei ferromagneti."

Ma come si traducono queste idee in applicazioni?

"Miniaturizzazione significa che i dispositivi spintronici potrebbero essere trasformati in microchip, " continua Otani. "Alte frequenze significano che i chip spintronici potrebbero superare quelli elettronici in velocità di funzionamento, e una maggiore densità porta a una maggiore capacità di memoria. Anche la bassa dissipazione delle correnti di spin a temperatura ambiente migliora ulteriormente l'efficienza energetica."

Dispositivi basati sul tradizionale effetto spin Hall esistono già nella ricerca spintronica, ma l'effetto magnetico spin Hall e i nuovi materiali utilizzati potrebbero migliorare notevolmente tutti i tipi di tecnologia.

"C'è ancora molto lavoro da fare, compresa l'esplorazione dei principi alla base del fenomeno che indaghiamo, " conclude Otani. " Spinto da misteri di materiali esotici, Sono entusiasta di far parte di questa rivoluzione tecnologica".