Segnando un importante traguardo nel campo della spintronica, i ricercatori del Brookhaven National Laboratory del Dipartimento dell'Energia degli Stati Uniti (DOE) e della Yale University hanno dimostrato la capacità di controllare la dinamica di spin nei materiali magnetici alterandone lo spessore. Lo studio, pubblicato oggi in Materiali della natura , potrebbe portare a minori, dispositivi elettronici più efficienti dal punto di vista energetico.

"Invece di cercare materiali diversi che condividano le giuste frequenze, ora possiamo alterare lo spessore di un singolo materiale:ferro, in questo caso, per trovare un supporto magnetico che consenta il trasferimento di informazioni attraverso un dispositivo, ", ha detto il fisico di Brookhaven e ricercatore principale Valentina Bisogni.

L'elettronica tradizionale si basa su una proprietà fondamentale degli elettroni, la carica, per trasmettere le informazioni. Ma poiché la corrente elettrica scorre attraverso un dispositivo, dissipa il calore, limitando il modo in cui i dispositivi di piccole dimensioni possono essere progettati senza il rischio di surriscaldamento e di sacrificare le prestazioni. Per soddisfare la domanda di elettronica più piccola e avanzata, i ricercatori stanno esaminando un approccio alternativo basato su una diversa proprietà fondamentale degli elettroni:lo spin. Simile alla carica, la rotazione può muoversi attraverso un materiale come una corrente. La differenza è che una corrente di carica è composta da elettroni che si muovono fisicamente, mentre in una rotazione "corrente, "gli elettroni non si muovono; piuttosto, si passano la direzione di rotazione l'un l'altro come passare il testimone in una staffetta, una corsa che ha una lunga catena di "corridori" che non corrono mai.

"C'è sempre bisogno di più memoria o capacità di archiviazione nei dispositivi elettronici, e la dissipazione del calore ci impedisce attualmente di creare dispositivi su scala ridotta, " ha detto Bisogni. "Fare affidamento sulla rotazione anziché sulla carica riduce significativamente il surriscaldamento dei dispositivi, quindi l'obiettivo della spintronica è realizzare le stesse funzionalità del dispositivo, o meglio, che sono già noti nell'elettronica tradizionale, senza gli inconvenienti."

Ad oggi, le dinamiche di spin sono state tipicamente misurate utilizzando tecniche di diffusione di neutroni; però, questo metodo richiede che i campioni vengano studiati in blocco (più grammi di campione contemporaneamente). Nelle applicazioni del mondo reale, il materiale deve essere ridimensionato a dimensioni molto più piccole.

"È molto difficile prevedere le prestazioni di determinati materiali su scale di lunghezza diverse, " ha detto Bisogni. "Dato che molti dispositivi elettronici sono costituiti da una quantità molto piccola di materiale, è importante studiare come le proprietà di un film sottile si confrontano con la massa."

Per rispondere a questa domanda scientifica, il team di ricerca ha utilizzato una tecnica chiamata diffusione inelastica di raggi X risonante (RIXS) per studiare film sottili di ferro sottili quanto un nanometro. Sebbene RIXS sia ben consolidata in campo scientifico, questo studio è solo uno dei pochi esempi in cui i ricercatori hanno utilizzato questa tecnica per studiare la dinamica di spin in un materiale così sottile. Il risultato è stato reso possibile dalle capacità avanzate della linea di luce Soft Inelastic X-ray Scattering (SIX) presso la National Synchrotron Light Source II (NSLS-II), una struttura per gli utenti dell'Office of Science del DOE presso il Brookhaven National Laboratory.

"Siamo stati in grado di eseguire queste misurazioni combinando la sorgente di raggi X ultraluminosi a NSLS-II con la risoluzione di energia senza precedenti e lo spettrometro alla linea di luce SIX, " ha detto Jonathan Pelliciari, autore principale dello studio e scienziato presso SIX.

La linea di luce SIX è dotata di un braccio spettrometrico lungo 50 piedi, ospitato nel proprio edificio adiacente al piano sperimentale di NSLS-II. questo lungo, il braccio mobile consente a SIX di ottenere una risoluzione energetica estremamente elevata e di rivelare il movimento collettivo degli elettroni e il loro spin all'interno di un materiale.

Prima studiando il ferro alla rinfusa, il team di ricerca ha confermato i risultati delle precedenti tecniche di diffusione dei neutroni. Quindi, man mano che si spostavano verso materiali più sottili, non solo hanno osservato con successo la dinamica di spin su scala atomica, ma ha anche scoperto che lo spessore potrebbe fungere da "manopola" per la messa a punto e il controllo della dinamica di rotazione.

"È stato emozionante vedere il modo in cui il ferro ha mantenuto le sue proprietà ferromagnetiche dalla massa fino a pochi monostrati, " disse Bisogni, scienziato capo della linea di luce presso SIX. "Dato che il ferro è un materiale così elementare e semplice, consideriamo questo un caso di riferimento per studiare l'evoluzione delle proprietà in funzione dello spessore utilizzando RIXS."

Pelliciari ha aggiunto, "Questo lavoro è il risultato di una forte sinergia tra strutture di livello mondiale. Oltre all'esperimento di alto livello e allo studio di caratterizzazione svolto presso NSLS-II, questa ricerca non sarebbe stata possibile senza l'esperienza e le capacità di sintesi all'avanguardia dei nostri colleghi della Yale University".

"Poiché Yale è a sole due ore da NSLS-II, Ho potuto partecipare pienamente all'esperimento, " ha detto Sangjae Lee, uno studente laureato nel laboratorio Charles Ahn della Yale University. Lee e Ahn sono coautori dello studio. "Questo esperimento è stato un'opportunità stimolante per eseguire misurazioni pratiche del sincrotrone con scienziati di livello mondiale presso NSLS-II".

I ricercatori del dipartimento di fisica della materia condensata e scienza dei materiali di Brookhaven hanno anche fornito supporto teorico per la migliore interpretazione dei dati sperimentali.

Il team di ricerca di SIX continuerà a utilizzare RIXS per osservare le proprietà dei materiali relative alla spintronica. Il loro obiettivo finale è sviluppare un "interruttore di accensione o spegnimento" per controllare la dinamica di spin nei dispositivi e comprendere il meccanismo microscopico sottostante.