Uno studio della Monash University che rivela nuove trame di spin nella pirite potrebbe sbloccare il potenziale di questi materiali nei futuri dispositivi spintronici.

Lo studio dei materiali di tipo pirite fornisce nuove intuizioni e opportunità per il controllo selettivo dello spin nei dispositivi spintronici topologici.

Alla ricerca di una nuova svolta nei materiali topologici

I materiali topologici hanno un potenziale entusiasmante per la prossima generazione, elettronica a bassissima energia, compresi i dispositivi termoelettrici e spintronici.

Però, una restrizione all'uso di tali materiali in spintronica è stata che tutti i materiali topologici studiati finora hanno stati di spin paralleli al piano del materiale, mentre molti/la maggior parte/tutti i dispositivi spintronici pratici richiederebbero stati di spin fuori dal piano.

Generare e manipolare spin fuori dal piano senza applicare un campo elettrico o magnetico esterno è stata una sfida chiave nella spintronica.

Il nuovo studio di Monash Engineering dimostra per la prima volta che i cristalli di tipo pirite possono ospitare trame di spin non convenzionali dipendenti dall'energia e dalla direzione sulla superficie, con componenti di spin sia nel piano che fuori dal piano, in netto contrasto con le texture spin nei materiali topologici convenzionali.

"Un certo numero di materiali di tipo pirite è stato teoricamente previsto in precedenza per mostrare le trame di rotazione fuori piano desiderate, " spiega l'autore principale Dr. Yuefeng Yin, nel Computational Materials Lab di Monash Engineering.

La pirite (conosciuta comunemente come "l'oro degli sciocchi") è un minerale di solfuro di ferro che mostra più piani interni di simmetria elettronica.

"La presenza di una forte simmetria locale protegge gli stati di spin fuori piano, " spiega Yuefeng, "così abbiamo deciso di guardare più da vicino alcuni di questi cristalli".

La trama di spin non convenzionale scoperta apre nuove possibilità per il compito necessario di iniettare o rilevare componenti di spin fuori dal piano in futuri dispositivi spintronici topologici.

Lo studio

Controllo selettivo della corrente di spin superficiale in OsX2 di tipo pirite topologico (X = Se, Te) cristalli è stato pubblicato su NPJ Quantum Materials nell'agosto 2019.

Utilizzando i calcoli dei principi primi, il team di Monash ha separato gli stati di spin superficiale in base alle loro interazioni con gli stati di spin nella maggior parte del materiale, con conseguente comportamento altamente anisotropo ma sintonizzabile.

Oltre al finanziamento dell'Australian Research Council (Centro di eccellenza e finanziamento ARC Laureates), gli autori riconoscono con gratitudine il supporto computazionale del Monash Campus Cluster, Centro di calcolo NCI e Pawsey Supercomputing Facility.

Il legame tra simmetria e materiali topologici

La presenza di forti, la simmetria locale fornisce robustezza topologica agli stati di spin, e la simmetria è quindi un forte predittore del comportamento topologico, così che lo studio di questi fenomeni nei cristalli di pirite dovrebbe fornire indizi verso la scoperta di molti altri nuovi materiali topologici.

Gli isolanti topologici sono nuovi materiali che si comportano come isolanti elettrici al loro interno, ma possono portare una corrente lungo i loro bordi. A differenza di un percorso elettrico convenzionale, tali percorsi di bordo topologici possono trasportare corrente elettrica con dissipazione di energia prossima allo zero, il che significa che i transistor topologici possono commutare senza bruciare energia.