Come i nostri smartphone, computer portatili, e i computer diventano più piccoli e veloci, così fanno i transistor al loro interno che controllano il flusso di elettricità e immagazzinano informazioni. Ma i transistor tradizionali possono solo ridursi così tanto. Ora, i ricercatori dello Stevens Institute of Technology hanno sviluppato un nuovo semiconduttore magnetico atomicamente sottile che consentirà lo sviluppo di nuovi transistor che funzionano in modo completamente diverso; non solo possono sfruttare la carica di un elettrone ma anche la potenza del suo spin, fornendo un percorso alternativo per creare elettronica sempre più piccola e veloce.

Piuttosto che fare affidamento sulla realizzazione di componenti elettrici sempre più piccoli, la nuova scoperta, riportato nel numero di aprile 2020 di Comunicazioni sulla natura , fornisce potenzialmente una piattaforma critica per far progredire il campo della spintronica (spin + elettronica), un modo fondamentalmente nuovo di far funzionare l'elettronica e un'alternativa tanto necessaria alla continua miniaturizzazione dei dispositivi elettronici standard. Oltre a rimuovere la barriera di miniaturizzazione, il nuovo magnete atomicamente sottile può anche consentire una maggiore velocità di elaborazione, minor consumo di energia e maggiore capacità di stoccaggio.

"Un semiconduttore ferromagnetico bidimensionale è un materiale in cui il ferromagnetismo e le proprietà dei semiconduttori coesistono in uno, e poiché il nostro materiale lavora a temperatura ambiente, ci permette di integrarlo facilmente con la consolidata tecnologia dei semiconduttori, " ha detto EH Yang, professore di ingegneria meccanica allo Stevens Institute of Technology, che ha guidato questo progetto.

"L'intensità del campo magnetico in questo materiale è 0,5 mT; mentre un'intensità del campo magnetico così debole non può permetterci di prendere una graffetta, è abbastanza grande da alterare lo spin degli elettroni, che può essere utilizzato per applicazioni di bit quantistici, " ha detto Stefan Strauf, un professore di fisica a Stevens.

Quando i computer furono costruiti per la prima volta, hanno riempito un'intera stanza, ma ora possono stare nella tua tasca posteriore. La ragione di ciò è la legge di Moore, che suggerisce che ogni due anni, il numero di transistor che si adattano a un chip del computer raddoppierà, raddoppiando efficacemente la velocità e la capacità di un gadget. Ma i transistor possono diventare così piccoli prima che i segnali elettrici che dovrebbero controllare non obbediscano più ai loro comandi.

Mentre la maggior parte dei previsori prevede che la legge di Moore finirà entro il 2025, approcci alternativi, che non si basano sul ridimensionamento fisico, sono stati indagati. Manipolando lo spin degli elettroni, invece di fare affidamento esclusivamente sulla loro carica, potrebbe fornire una soluzione in futuro.

Costruire un nuovo semiconduttore magnetico utilizzando materiali bidimensionali, ovvero due atomi di spessore- consentirà lo sviluppo di un transistor per controllare l'elettricità con il controllo dello spin di un elettrone, o su o giù, mentre l'intero dispositivo rimane leggero, flessibile e trasparente.

Utilizzando un metodo chiamato doping sostitutivo in situ, Yang e il suo team hanno sintetizzato con successo un semiconduttore magnetico in cui un cristallo di disolfuro di molibdeno viene drogato per sostituzione con atomi di ferro isolati. Durante questo processo, gli atomi di ferro danno il via ad alcuni degli atomi di molibdeno e prendono il loro posto, nel punto esatto, creando un materiale magnetico trasparente e flessibile, di nuovo, solo due atomi di spessore. Il materiale si trova a rimanere magnetizzato a temperatura ambiente, e poiché è un semiconduttore, può essere integrato direttamente nell'architettura esistente dei dispositivi elettronici in futuro.

Yang e il suo team di Stevens hanno lavorato con diverse istituzioni per immaginare il materiale, atomo per atomo, per dimostrare che gli atomi di ferro hanno preso il posto di alcuni atomi di molibdeno. Queste istituzioni includevano l'Università di Rochester, Istituto Politecnico Rensselaer, Laboratorio nazionale di Brookhaven, e Columbia University.

"Per fare qualcosa di grande nella scienza, devi convincere gli altri a collaborare con te, " disse Shichen Fu, un dottorato di ricerca studente in ingegneria meccanica alla Stevens. "Questa volta, abbiamo riunito tutte le persone giuste, laboratori con diversi punti di forza e diverse prospettive, per far sì che ciò accada".