I ricercatori dell'Università di Basilea, in collaborazione con i colleghi di Pisa, hanno sviluppato un nuovo concetto che utilizza lo spin degli elettroni per commutare una corrente elettrica. Oltre alla ricerca fondamentale, tali valvole di spin sono anche gli elementi chiave della spintronica, un tipo di elettronica che sfrutta lo spin invece della carica degli elettroni. I risultati sono stati pubblicati sulla rivista scientifica Fisica delle comunicazioni .

Ad un certo punto, spintronica potrebbe diventare una parola d'ordine che fa parte del nostro vocabolario tanto quanto l'elettronica. L'idea alla base è quella di utilizzare il momento angolare (spin) di un elettrone invece della carica elettrica. I ricercatori di tutto il mondo perseguono questo obiettivo da molti anni. Spintronics promette numerose applicazioni nell'archiviazione e nell'elaborazione delle informazioni, e potrebbe migliorare l'efficienza energetica dei dispositivi elettronici. Un prerequisito importante è il controllo e il rilevamento efficienti degli spin degli elettroni.

Un team di fisici attorno al professor Christian Schönenberger e al dottor Andreas Baumgartner dello Swiss Nanoscience Institute e del Dipartimento di fisica dell'Università di Basilea ha ora sviluppato una nuova tecnica per la spintronica nei dispositivi a semiconduttore. Sono stati coinvolti anche ricercatori dell'Istituto Nanoscienze-CNR di Pisa.

I nanomagneti sono la chiave

Per questo scopo, gli scienziati formano due piccole isole di semiconduttori (punti quantici) una dietro l'altra su un nanofilo e generano campi magnetici nei punti quantici utilizzando nanomagneti. Utilizzando un campo esterno, sono in grado di controllare questi magneti individualmente e quindi possono determinare se un punto quantico consente agli elettroni di passare con uno spin diretto verso l'alto (su) o verso il basso (giù). Quando due punti quantici sono collegati in serie, una corrente scorre solo se entrambi sono impostati su "su" o entrambi su "giù". Idealmente, non scorre corrente se sono orientati in direzioni opposte.

Arunav Bordoloi, primo autore della pubblicazione e Ph.D. studente nel team Schönenberger, trovato che questo metodo ha prodotto una polarizzazione di spin vicino al massimo teorico. "Con questa tecnica, possiamo scegliere se un singolo elettrone in un dato stato di spin può entrare o uscire da un sistema quantistico, con un'efficienza di gran lunga maggiore rispetto alle valvole di spin convenzionali, " lui dice.

"Negli ultimi anni, ricercatori di tutto il mondo hanno trovato un osso duro per fabbricare valvole di rotazione utili per dispositivi nanoelettronici e quantistici, " afferma il dott. Andreas Baumgartner, chi sta supervisionando il progetto. "Ora siamo riusciti a produrne uno".

Esplorare nuovi fenomeni

I fisici sono stati anche in grado di dimostrare che i campi magnetici sono localizzati in posizioni specifiche sul nanofilo. "Questa tecnica dovrebbe quindi permetterci di studiare le proprietà di spin di nuovi fenomeni tipicamente troppo sensibili ai campi magnetici, come nuovi stati alle estremità di superconduttori speciali, " commenta il dottor Baumgartner.

Questo nuovo approccio alla spintronica dovrebbe ora consentire misurazioni dirette delle correlazioni di spin e dell'entanglement di spin e gettare nuova luce su molti fenomeni fisici vecchi e nuovi. Nel futuro, il concetto potrebbe anche rivelarsi utile nel tentativo di utilizzare gli spin degli elettroni come la più piccola unità di informazione (bit quantistico) in un computer quantistico.