L'odierna società globale affamata di energia sta lottando per mitigare gli effetti del cambiamento climatico causato dall'uomo, e in quali condizioni di adattamento volontario/coercitivo. Le attuali tecnologie senza combustibili fossili sembrano inadeguate/insufficienti per affrontare questa sfida scoraggiante. Affrontare questa sfida da un punto di vista tecnologico è quindi probabile che richieda la maturazione di nuovi concetti fisici audaci che possono essere accelerati tecnologicamente.

Un team scientifico internazionale del CNRS, l'Università di Strasburgo e l'Università della Lorena in Francia, insieme all'Università di Uppsala in Svezia, ha scoperto casualmente uno di questi concetti nell'intersezione scarsamente compresa/documentata tra due campi di ricerca altrimenti disgiunti. Spintronics comprende la prossima generazione, elettronica a bassa potenza che utilizza la proprietà di spin quantistico dell'elettrone. Si occupa quindi principalmente di tecnologie di archiviazione/comunicazione delle informazioni. La fisica/termodinamica quantistica mira a riesaminare le regole della termodinamica quando la materia è confinata su scala nanometrica per esibire proprietà quantistiche, e quindi capire come funzionano i motori quantistici.

Gli esperimenti e le analisi del team mostrano che è possibile assemblare un generatore elettrico che utilizza lo spin dell'elettrone per raccogliere le fluttuazioni termiche a temperatura ambiente. Facendo riferimento allo schema del motore, la raccolta della temperatura ambiente avviene su centri paramagnetici (PM):magneti a livello di atomo il cui orientamento fluttua a causa del calore. Gli elettrodi del motore, chiamati selettori spintronici, consentire agli elettroni di un solo spin (↑ in rosso, o ↓ in blu) per condurre. Poiché il calore mescola lo spin dell'elettrone al centro del PM (al centro) con livelli energetici di spin separati energeticamente, il trasporto (linee gialle) tra il centro del PM e gli elettrodi avviene a diversi livelli di energia per ciascun elettrodo. Ciò provoca la comparsa di una tensione di polarizzazione spontanea V tra gli elettrodi, e quindi una corrente spontanea per fluire una volta che il circuito elettrico è chiuso.

Il team ha utilizzato teorie analitiche e ab-initio per stabilire un collegamento tra questo concetto di motore di rotazione e gli esperimenti a temperatura ambiente su un dispositivo spintronico a stato solido chiamato giunzione a tunnel magnetico (MTJ). Qui, l'interfaccia tra il metallo ferromagnetico Co e gli atomi di carbonio è stata utilizzata come selettore spintronico, e atomi di carbonio che sostituiscono atomi di ossigeno nella barriera del tunnel MgO come centri di PM.

Secondo gli esperimenti, se tali dispositivi potessero essere prodotti in serie con alti rendimenti di successo, quindi alle attuali densità di MgO MTJ all'interno delle memorie di prossima generazione, questo concetto potrebbe produrre chip che producono continuamente energia elettrica con una densità di potenza areale che è 3 volte maggiore dell'irradiazione solare grezza sulla Terra. La sfida ora è confermare alcuni aspetti fondamentali del funzionamento di questo motore, ottenere la riproducibilità del dispositivo controllando a livello atomico la posizione e le proprietà dei centri di PM in un dispositivo a stato solido adatto, implementare l'integrazione di back-end CMOS (ad esempio grazie ai progressi esistenti con le tecnologie MgO MTJ), per gestire problemi ingegneristici come il flusso di calore e le perdite di interconnessione, e per abbassare drasticamente il costo areale del chip risultante.

Per evitare la catastrofe climatica entro il periodo di 11 anni stabilito dal GIEC, utilizzando una soluzione tecnologica come questa richiederà un enorme, un'impresa mirata simile a quella dispiegata nel progetto Manhattan, unendo scienziati, responsabili delle politiche e partner industriali che già lavorano su tecnologie spintroniche basate su MTJ. Il sito web in costruzione aiuterà a comunicare su questa impresa. Come misura di speranza, sono trascorsi solo sette-nove anni tra la scoperta della spintronica nel 1986-1988 e i primi prodotti commerciali risultanti. Se la soluzione alla crisi climatica è coinvolgere nuove tecnologie, concetti fisici radicalmente nuovi che possono essere tecnologicamente accelerati dovrebbero, da ora in poi, essere considerato con l'urgenza e la priorità che la posta in gioco di una catastrofe climatica fa presagire.