I ricercatori Koichiro Yaji e Shunsuke Tsuda dell'Istituto nazionale per la scienza dei materiali in Giappone hanno sviluppato un tipo migliorato di microscopio in grado di visualizzare gli aspetti chiave degli stati di spin degli elettroni nei materiali. Il loro studio è pubblicato sulla rivista Science and Technology of Advanced Materials:Methods .

La proprietà quantomeccanica degli elettroni chiamata spin è più complessa dello spin degli oggetti nel nostro mondo quotidiano, ma è ad esso correlata come misura del momento angolare di un elettrone. Gli stati di spin degli elettroni possono avere un impatto significativo sul comportamento elettronico e magnetico dei materiali di cui fanno parte.

La tecnologia sviluppata da Yaji e Tsuda è nota come microscopia a fotoemissione risolta in spin di tipo imaging (iSPEM). Utilizza l'interazione della luce con gli elettroni in un materiale per rilevare l'allineamento relativo degli spin degli elettroni. Si concentra in particolare sulla polarizzazione dello spin degli elettroni, ovvero la misura in cui gli spin degli elettroni sono allineati collettivamente in una direzione specifica.

La macchina iSPEM del team è composta da tre camere ad altissimo vuoto interconnesse per la preparazione e l'analisi del campione. Gli elettroni vengono emessi dal campione assorbendo energia luminosa, accelerati attraverso l'apparato e quindi analizzati mediante l'interazione con un cristallo di filtro di spin. I risultati vengono visualizzati come immagini che gli esperti possono utilizzare per raccogliere le informazioni necessarie sugli stati di spin degli elettroni nel campione.

"Rispetto alle macchine convenzionali, la nostra macchina iSPEM migliora drasticamente l'efficienza di acquisizione dei dati di diecimila volte, con un miglioramento di oltre dieci volte nella risoluzione spaziale", afferma Yaji. "Ciò offre enormi opportunità per caratterizzare la struttura elettronica di materiali e dispositivi microscopici a livelli precedentemente inaccessibili nella regione submicrometrica."

Questo progresso potrebbe promuovere miglioramenti nell’uso degli stati di spin degli elettroni nell’elaborazione delle informazioni e in altri dispositivi elettronici, come parte del campo in rapido sviluppo noto come spintronica. Nelle applicazioni spintroniche, lo stato di spin degli elettroni viene utilizzato per archiviare ed elaborare informazioni, oltre all'uso tradizionale della carica elettrica.

"Ciò potrebbe portare a dispositivi elettronici più efficienti dal punto di vista energetico e più veloci, compresi i computer quantistici", afferma Yaji. L’applicazione delle sottigliezze del comportamento della meccanica quantistica all’informatica è in prima linea negli sforzi per portare le potenzialità dei computer a un altro livello, ma fino ad ora la maggior parte dei progressi sono stati limitati a dimostrazioni arcane piuttosto che ad applicazioni pratiche. Padroneggiare la comprensione, il controllo e la visualizzazione dello spin degli elettroni potrebbe rappresentare un significativo passo avanti.

"Ora prevediamo di utilizzare la nostra macchina per studiare le possibilità di sviluppare una nuova generazione di dispositivi basati sullo spin elettronico, perché ci consentirà di esaminare le proprietà di campioni piccoli e strutturalmente complessi precedentemente nascosti alla vista", conclude Yaji.