Un team di fisici ha scoperto un metodo di rilevamento elettrico per onde elettromagnetiche terahertz, che sono estremamente difficili da rilevare. La scoperta potrebbe aiutare a miniaturizzare le apparecchiature di rilevamento sui microchip e aumentare la sensibilità.

Terahertz è un'unità di frequenza delle onde elettromagnetiche:un gigahertz equivale a 1 miliardo di hertz; 1 terahertz è uguale a 1, 000 gigahertz. Maggiore è la frequenza, più veloce è la trasmissione delle informazioni. Telefono cellulare, Per esempio, funzionare a pochi gigahertz.

Il ritrovamento, segnalato oggi in Natura , si basa su un fenomeno di risonanza magnetica nei materiali antiferromagnetici. Tali materiali, detti anche antiferromagneti, offrono vantaggi unici per applicazioni di dispositivi su nanoscala ultraveloci e basati su spin.

I ricercatori, guidato dal fisico Jing Shi dell'Università della California, lungo il fiume, generato una corrente di spin, un'importante grandezza fisica nella spintronica, in un antiferromagnete e sono stati in grado di rilevarlo elettricamente. Per compiere questa impresa, hanno usato la radiazione terahertz per pompare la risonanza magnetica nella cromia per facilitarne il rilevamento.

Nei ferromagneti, come un magnete a barra, gli spin dell'elettrone puntano nella stessa direzione, su o giù, fornendo così forza collettiva ai materiali. Negli antiferromagneti, la disposizione atomica è tale che gli spin dell'elettrone si annullano a vicenda, con metà dei giri che punta nella direzione opposta dell'altra metà, o su o giù.

L'elettrone ha un momento angolare di spin incorporato, che può precedere il modo in cui una trottola precede attorno a un asse verticale. Quando la frequenza di precessione degli elettroni corrisponde alla frequenza delle onde elettromagnetiche generate da una sorgente esterna che agisce sugli elettroni, la risonanza magnetica si verifica e si manifesta sotto forma di un segnale notevolmente potenziato che è più facile da rilevare.

Per generare tale risonanza magnetica, il team di fisici dell'UC Riverside e dell'UC Santa Barbara ha lavorato con 0,24 terahertz di radiazioni prodotte presso le strutture Terahertz dell'Institute for Terahertz Science and Technology presso il campus di Santa Barbara. Questo corrispondeva da vicino alla frequenza di precessione degli elettroni nella cromia. La risonanza magnetica che ne è seguita ha portato alla generazione di una corrente di spin che i ricercatori hanno convertito in una tensione continua.

"Siamo stati in grado di dimostrare che la risonanza antiferromagnetica può produrre una tensione elettrica, un effetto spintronico mai sperimentato prima, " disse Shi, professore presso il Dipartimento di Fisica e Astronomia.

Shi, che dirige il Centro di ricerca Energy Frontier, finanziato dal Dipartimento dell'energia, Spins and Heat in Nanoscale Electronic Systems, o BRILLA, all'Università di Riverside, ha spiegato che le radiazioni subterahertz e terahertz sono una sfida da rilevare. L'attuale tecnologia di comunicazione utilizza microonde a gigahertz.

"Per una maggiore larghezza di banda, però, la tendenza è quella di spostarsi verso le microonde terahertz, " disse Shi.  "La generazione di microonde terahertz non è difficile, ma il loro rilevamento lo è. Il nostro lavoro ha ora fornito un nuovo percorso per il rilevamento dei terahertz su un chip".

Sebbene gli antiferromagneti siano staticamente poco interessanti, sono dinamicamente interessanti. La precessione di spin degli elettroni negli antiferromagneti è molto più veloce che nei ferromagneti, risultando in frequenze che sono due-tre ordini di grandezza superiori alle frequenze dei ferromagneti, consentendo così una trasmissione più rapida delle informazioni.

"La dinamica di spin negli antiferromagneti si verifica in tempi molto più brevi rispetto ai ferromagneti, che offre vantaggi interessanti per potenziali applicazioni di dispositivi ultraveloci, " disse Shi.

Gli antiferromagneti sono onnipresenti e più abbondanti dei ferromagneti. Molti ferromagneti, come ferro e cobalto, diventare antiferromagnetico quando ossidato. Molti antiferromagneti sono buoni isolanti con una bassa dissipazione di energia. Il laboratorio di Shi ha esperienza nella produzione di isolanti ferromagnetici e antiferromagnetici.

Il team di Shi ha sviluppato una struttura a doppio strato composta da cromo, un isolante antiferromagnetico, con uno strato di metallo sopra di esso per fungere da rilevatore per rilevare i segnali dalla cromia.

Shi ha spiegato che gli elettroni nella cromia rimangono locali. Ciò che attraversa l'interfaccia è l'informazione codificata negli spin di precessione degli elettroni.

"L'interfaccia è fondamentale, " ha detto. "Così è la sensibilità allo spin."

I ricercatori hanno affrontato la sensibilità allo spin concentrandosi su platino e tantalio come rivelatori di metalli. Se il segnale della cromia ha origine in spin, platino e tantalio registrano il segnale con polarità opposta. Se il segnale è causato dal riscaldamento, però, entrambi i metalli registrano il segnale con polarità identica.

"Questa è la prima generazione e rilevazione di successo di correnti di spin pure in materiali antiferromagnetici, che è un tema caldo in spintronica, "Shi ha detto. "La spintronica antiferromagnetica è uno dei principali obiettivi di SHINES".