Gli scienziati hanno fatto un passo avanti nello sviluppo di una nuova generazione di elettronica che richiederà meno energia e genererà meno calore.

Si tratta di sfruttare le complesse proprietà quantistiche degli elettroni, in questo caso, lo stato di spin degli elettroni.

In una prima mondiale, i ricercatori, guidati da un team di fisici dell'Università di Leeds, hanno annunciato sulla rivista Progressi scientifici che hanno creato un "condensatore di spin" in grado di generare e mantenere lo stato di spin degli elettroni per un certo numero di ore.

I tentativi precedenti hanno mantenuto lo stato di rotazione solo per una frazione di secondo.

Nell'elettronica, un condensatore trattiene l'energia sotto forma di carica elettrica. Un condensatore di spin è una variazione di quell'idea:invece di tenere solo la carica, memorizza anche lo stato di spin di un gruppo di elettroni, in effetti "congela" la posizione di spin di ciascuno degli elettroni.

Questa capacità di catturare lo stato di rotazione apre la possibilità che possano essere sviluppati nuovi dispositivi che memorizzano le informazioni in modo così efficiente che i dispositivi di archiviazione potrebbero diventare molto piccoli. Un condensatore di spin che misura solo un pollice quadrato potrebbe memorizzare 100 Terabyte di dati.

Dott. Oscar Cespedes, Professore Associato nella Scuola di Fisica e Astronomia che ha curato la ricerca, ha dichiarato:"Si tratta di un piccolo ma significativo passo avanti in quella che potrebbe diventare una rivoluzione nell'elettronica guidata dallo sfruttamento dei principi della tecnologia quantistica.

"Al momento, fino al 70% dell'energia utilizzata in un dispositivo elettronico come un computer o un telefono cellulare viene dispersa sotto forma di calore, e questa è l'energia che proviene dagli elettroni che si muovono attraverso i circuiti del dispositivo. Si traduce in enormi inefficienze e limita le capacità e la sostenibilità delle tecnologie attuali. L'impronta di carbonio di Internet è già simile a quella dei viaggi aerei e aumenta di anno in anno.

"Con effetti quantistici che utilizzano elementi leggeri ed eco-compatibili, non ci potrebbe essere perdita di calore. Significa che le prestazioni delle tecnologie attuali possono continuare a svilupparsi in un modo più efficiente e sostenibile che richiede molta meno energia".

Dottor Matthew Rogers, uno degli autori principali, anche da Leeds, ha commentato:"La nostra ricerca mostra che i dispositivi del futuro potrebbero non dover fare affidamento su dischi rigidi magnetici. Avranno invece condensatori di spin azionati dalla luce, che li renderebbe molto veloci, o da un campo elettrico, che li renderebbe estremamente efficienti dal punto di vista energetico.

"Si tratta di una svolta entusiasmante. L'applicazione della fisica quantistica all'elettronica si tradurrà in dispositivi nuovi e innovativi".

Come funziona un condensatore di spin

Nell'informatica convenzionale, le informazioni sono codificate e memorizzate come una serie di bit:ad es. zero e uno su un disco rigido. Quegli zeri e quegli uno possono essere rappresentati o memorizzati sul disco rigido dai cambiamenti nella polarità di minuscole regioni magnetizzate sul disco.

Con la tecnologia quantistica, i condensatori di spin potrebbero scrivere e leggere informazioni codificate nello stato di spin degli elettroni utilizzando campi luminosi o elettrici.

Il team di ricerca è stato in grado di sviluppare il condensatore di spin utilizzando un'interfaccia di materiali avanzati costituita da una forma di carbonio chiamata buckminsterfullerene (buckyballs), ossido di manganese e un elettrodo magnetico di cobalto. L'interfaccia tra il nanocarbonio e l'ossido è in grado di intrappolare lo stato di spin degli elettroni.

Il tempo necessario per il decadimento dello stato di spin è stato esteso utilizzando l'interazione tra gli atomi di carbonio nei buckyball e l'ossido di metallo in presenza di un elettrodo magnetico.

Alcune delle strutture sperimentali più avanzate del mondo sono state utilizzate come parte dell'indagine.

I ricercatori hanno utilizzato il sincrotrone ALBA a Barcellona che utilizza acceleratori di elettroni per produrre luce di sincrotrone che consente agli scienziati di visualizzare la struttura atomica della materia e di studiarne le proprietà. La spettroscopia di spin del muone a bassa energia presso l'Istituto Paul Scherrer in Svizzera è stata utilizzata per monitorare i cambiamenti di spin locali sotto luce ed irradiazione elettrica entro miliardesimi di metro all'interno del campione. Un muone è una particella subatomica.

I risultati dell'analisi sperimentale sono stati interpretati con l'assistenza di scienziati informatici presso il Science and Technical Facilities Council del Regno Unito, sede di uno dei supercomputer più potenti del Regno Unito.

Gli scienziati credono che i progressi che hanno fatto possano essere costruiti, in particolare verso dispositivi in ​​grado di mantenere lo stato di rotazione per periodi di tempo più lunghi.