La spintronica è un'area di ricerca emergente che mira a sviluppare dispositivi che trasmettono, elaborare e memorizzare le informazioni sfruttando il momento angolare intrinseco degli elettroni, noto come rotazione. Un obiettivo chiave degli studi di spintronica è identificare strategie per utilizzare isolanti magnetici per ottenere il trasporto di segnali su lunghe distanze.

Gli isolanti magnetici sono una classe di materiali ampiamente utilizzati in tutto il mondo, principalmente per la loro capacità di condurre cariche elettriche. Proprio come i metalli conducono le cariche elettriche, gli isolanti magnetici possono condurre spin. Ciò nonostante, poiché gli spin sono raramente conservati nei materiali e tendono a scomparire su lunghe distanze, finora, l'utilizzo di isolatori magnetici per ottenere il trasporto a lungo raggio si è rivelato molto impegnativo.

I ricercatori hanno recentemente dimostrato il trasporto a lungo raggio di ricci magnetici, Strutture di spin topologiche 3D che si osservano spesso nei magneti comuni. Il loro lavoro, delineato in un articolo pubblicato su Lettere di revisione fisica , potrebbe avere importanti implicazioni per lo sviluppo di dispositivi spintronici.

"La nostra idea è di ricorrere a trame di spin topologiche piuttosto che a spin stesse ai fini del trasporto a lungo raggio, "Shu Zhang, uno dei ricercatori che ha condotto lo studio, ha detto a Phys.org. "Il riccio magnetico è un tipo di struttura di spin topologicamente protetta che esce genericamente in magneti tridimensionali. Il nostro lavoro mostra che la corrente del riccio è una quantità ben conservata e può essere esplorata per ottenere il trasporto a lungo raggio negli isolanti magnetici".

Il recente studio di Zhang e dei suoi colleghi si basa su un costrutto teorico noto come legge di conservazione topologica, che ha permesso ai ricercatori di sfruttare l'idea dell'idrodinamica delle trame di spin topologiche. Questa idea è stata precedentemente esplorata in una serie di studi condotti dal fisico Yaroslav Tserkovnyak.

"Il principale approccio teorico che abbiamo applicato nel nostro studio è la teoria del campo classica, " ha spiegato Zhang. "Descriviamo la distribuzione spazio-temporale degli spin come un campo vettoriale continuo, al di sopra delle quali si possono definire e studiare le tessiture topologiche e le loro correnti. Abbiamo scoperto che la descrizione matematica delle correnti del riccio ha in realtà un'analogia con la più famosa teoria dei campi, quello dell'elettromagnetismo».

Quando hanno deciso di indagare sul trasporto a lungo raggio, Zhang e i suoi colleghi hanno specificamente considerato una configurazione "tipica" sperimentalmente fattibile, in cui viene iniettata la corrente di un riccio e rilevata tramite contatti metallici fissati alle due estremità di un magnete. Nella loro carta, propongono che in questo scenario, un magnete potrebbe essere visto come un conduttore che trasporta la corrente di trame di spin topologiche con una conduttanza finita. Questa idea in definitiva evidenzia il potenziale dell'utilizzo di isolanti magnetici per ottenere il trasporto su lunghe distanze.

"Penso che sia molto eccitante immaginare la possibilità che i normali isolanti magnetici possano essere utilizzati per il trasporto a lungo raggio, "Ha detto Zhang. "Ciò renderà possibile la realizzazione di vari circuiti di spin con un'elevata efficienza energetica a causa dell'assenza di riscaldamento Joule".

Nel futuro, lo studio potrebbe ispirare altri gruppi di ricerca a studiare ulteriormente le dinamiche di trasporto delle trame di spin topologiche, in particolare quelli dei ricci magnetici, che sono ampiamente disponibili. Lo sviluppo di strategie efficaci per controllare queste dinamiche alla fine aprirebbe nuove possibilità per consentire la trasmissione a lunga distanza di informazioni in dispositivi spintronici utilizzando materiali magnetici 3D.

"Speriamo di vedere presto le nostre idee testate in esperimenti, " Zhang ha detto. "Il nostro lavoro attuale si basa su considerazioni classiche o semiclassiche di spin. Nel futuro, sarebbe interessante vedere come le trame di spin topologiche potrebbero contribuire al trasporto nei magneti quantistici".

© 2021 Science X Network