I fisici NUS hanno dimostrato il controllo del magnetismo in un semiconduttore magnetico tramite mezzi elettrici, aprendo la strada a nuovi dispositivi spintronici.

I semiconduttori sono il cuore delle tecnologie di elaborazione delle informazioni. Sotto forma di transistor, i semiconduttori fungono da interruttore per la carica elettrica, consentendo la commutazione tra gli stati binari zero e uno. Materiali magnetici, d'altra parte, sono una componente essenziale per i dispositivi di memorizzazione delle informazioni. Sfruttano il grado di libertà di spin degli elettroni per ottenere funzioni di memoria. I semiconduttori magnetici sono una classe unica di materiali che consentono il controllo sia della carica elettrica che dello spin, potenzialmente consentendo l'elaborazione delle informazioni e le operazioni di memoria in un'unica piattaforma. La sfida chiave è controllare gli spin degli elettroni, o magnetizzazione, utilizzando campi elettrici, in modo simile un transistor controlla la carica elettrica. Però, il magnetismo ha tipicamente una debole dipendenza dai campi elettrici nei semiconduttori magnetici, e l'effetto è spesso limitato alle temperature criogeniche.

Un gruppo di ricerca guidato dal Prof Goki EDA del Dipartimento di Fisica e del Dipartimento di Chimica, e il Centro per i materiali 2-D avanzati, NU, in collaborazione con il Prof Hidekazu KUREBAYASHI del London Centre for Nanotechnology, University College London, scoperto che il magnetismo di un semiconduttore magnetico, Cr ₂ Ge ₂ Te ₆ , mostra una risposta eccezionalmente forte ai campi elettrici applicati. Con campi elettrici applicati, si è scoperto che il materiale mostra ferromagnetismo (uno stato in cui gli spin degli elettroni si allineano spontaneamente) a temperature fino a 200 K (-73°C). A tali temperature, l'ordine ferromagnetico è normalmente assente in questo materiale.

I ricercatori hanno applicato grandi campi elettrici a questo materiale rivestendolo con uno strato di gel polimerico contenente ioni disciolti. Quando viene applicata una tensione al gel polimerico, uno strato di ioni si forma sulla superficie del materiale, inducendo forti campi elettrici e un'alta densità di elettroni mobili nel materiale. In assenza di questi elettroni mobili (cioè quando la tensione applicata è zero), il ferromagnetismo si verifica solo al di sotto di 61 K (-212°C). Questa temperatura critica, al di sotto del quale emerge l'ordine ferromagnetico, è nota come temperatura di Curie. Al di sopra di questa temperatura, gli orientamenti di spin sono randomizzati (stato paramagnetico), rendendo impossibili le operazioni di memoria magnetica. Quando al gel polimerico viene applicato un potenziale elettrico di pochi volt, i ricercatori hanno scoperto che la temperatura di Curie è aumentata di oltre 100°C. Un aumento così drammatico della temperatura di Curie innescato da campi elettrici è insolito in un semiconduttore magnetico. I ricercatori concludono che gli elettroni mobili indotti dagli ioni sono responsabili dell'ordine magnetico osservato alla temperatura più elevata.

L'autore principale Dr. Ivan VERZHBITSKIY, un ricercatore del team ha detto, "Gli elettroni mobili presenti nel materiale aiutano a trasportare le informazioni di spin da un sito atomico a un altro e a stabilire l'ordine magnetico, con conseguente temperatura di Curie più alta."

La temperatura di funzionamento di questi dispositivi è ancora ben al di sotto della temperatura ambiente, il che rende impraticabile la loro implementazione nelle tecnologie attuali. Però, il team mira a superare questa limitazione nella loro ricerca futura.

"Riteniamo che questo fenomeno unico che abbiamo osservato non sia limitato a questo particolare composto e possa essere previsto in altri sistemi di materiali correlati. Con un'attenta selezione dei materiali, sarà possibile sviluppare dispositivi che funzionano a temperatura ambiente, che potrebbe portare a nuove tecnologie innovative, " ha aggiunto il prof Eda.